Fisikawan telah membuat pengukuran usia neutron yang paling akurat di dunia

Detektor neutron ultra-dingin efisiensi tinggi yang digunakan dalam perangkap “bak mandi”. Kredit: Laboratorium Nasional Los Alamos/Michael Pierce

Sebuah tim peneliti internasional telah membuat pengukuran usia neutron yang paling akurat di dunia, yang dapat membantu menjawab pertanyaan tentang alam semesta awal.

Sebuah tim fisikawan internasional yang dipimpin oleh para peneliti di Indiana University Bloomington telah mengumumkan pengukuran usia neutron yang paling akurat di dunia.

Temuan oleh tim, yang mencakup ilmuwan dari lebih dari 10 laboratorium nasional dan universitas di AS dan luar negeri, mewakili peningkatan lebih dari dua kali lipat dibandingkan pengukuran sebelumnya – dengan ketidakpastian kurang dari sepersepuluh persen.

Karya tersebut diterbitkan dalam majalah edisi 13 Oktober pesan ulasan fisik. juga menjadi subjek dari Pengarahan berita langsung Pada pertemuan musim gugur 2021 Divisi Fisika Nuklir American Physical Society.

kata David Baxter, presiden IU Bloomington College of Arts and Sciences Department of Physics. “Kami bangga dengan peran lama IU sebagai pelopor dalam bisnis ini.”

Penulis yang berafiliasi dengan IU pada saat penelitian adalah mahasiswa pascasarjana Nathan Callahan, Maria Dawid dan Francisco Gonzalez. Insinyur Walt Fox. Profesor Fisika Rudy Chen Yu Liu; Ilmuwan Riset Daniel Salvat. dan teknisi mekanik John Vanderwerp. (Callaghan dan Gonzalez saat ini masing-masing berafiliasi dengan Laboratorium Nasional Argonne dan Laboratorium Nasional Oak Ridge.) Penelitian dilakukan di Laboratorium Nasional Los Alamos.

Tujuan ilmiah dari percobaan ini adalah untuk mengukur berapa lama neutron bebas hidup, rata-rata, di luar batas inti atom.

“Proses di mana neutron ‘meluruh’ menjadi proton – dengan emisi elektron ringan dan neutrino yang hampir tak bermassa – adalah salah satu proses paling menarik yang diketahui oleh fisikawan,” kata Salvat, yang memimpin eksperimen di Los Alamos. “Upaya untuk mengukur secara tepat nilai ini penting karena memahami usia neutron yang tepat dapat menjelaskan bagaimana alam semesta berevolusi — serta memungkinkan fisikawan untuk menemukan kekurangan dalam model alam semesta subatomik yang kita ketahui ada tetapi tidak ada yang memilikinya. belum dapat menemukan. pada dirinya”.

Neutron yang digunakan dalam penelitian ini diproduksi oleh Los Alamos Ultracold Neutron Science Center di Los Alamos National Laboratory. Eksperimen UCNtau menangkap neutron ini, yang suhunya turun hingga hampir nol mutlakDi dalam bak mandi dikelilingi oleh 4.000 magnet. Setelah menunggu selama 30 hingga 90 menit, para peneliti menghitung neutron yang tersisa di cekungan saat mereka naik melawan gravitasi dengan gaya magnet.

Desain unik dari perangkap UCNtau memungkinkan neutron untuk tetap disimpan selama lebih dari 11 hari, lebih lama dari desain sebelumnya, mengurangi kebutuhan akan koreksi sistematis yang dapat mengubah hasil pengukuran seumur hidup. Selama dua tahun, peneliti studi menghitung hampir 40 juta neutron yang ditangkap menggunakan metode ini. Upaya tersebut adalah kerja disertasi untuk Gonzalez, yang mengumpulkan data di Los Alamos sebagai mahasiswa pascasarjana IU dari 2017 hingga 2019, dan memimpin analisis hasil yang dipublikasikan.

Salvat mengatakan hasil percobaan akan membantu fisikawan mengkonfirmasi atau menyangkal validitas “Matriks Kabibo-Kobayashi-Maskua,” yang berhubungan dengan partikel subatomik yang disebut quark dan memainkan peran penting dalam “Model Standar” fisika partikel yang diterima secara luas. Ini juga akan membantu fisikawan memahami peran potensial yang mungkin dimainkan oleh ide-ide baru dalam fisika, seperti peluruhan neutron menjadi materi gelap, dalam pengembangan teori tentang alam semesta, serta mungkin membantu menjelaskan bagaimana inti atom pertama terbentuk.

“Model dasar yang menjelaskan peluruhan neutron melibatkan quark yang mengubah identitasnya, tetapi perhitungan yang ditingkatkan baru-baru ini menunjukkan bahwa proses ini mungkin tidak terjadi seperti yang diharapkan sebelumnya,” kata Salvat. “Pengukuran baru kami tentang masa pakai neutron akan memberikan penilaian independen untuk menyelesaikan masalah ini, atau memberikan bukti yang banyak dicari untuk penemuan fisika baru.”

Referensi: “Pengukuran masa pakai neutron yang ditingkatkan menggunakan UCN$\mathrm{NS}$Oleh F.M. Gonzalez, E.M. Fries, C. Cude-Woods, T. Bailey, M. Blatnik, L.J. Broussard, N.B. Callahan, J.H. Choi, S.M. Clayton, S.A. Currie, M. Dawid, E.B. Dees, B.W. Fox View abstrak C. O’Shaughnessy, RW Bate Jr., J. Ramsey, DJ Salvat, A. Saunders, EE Sharapov, S. Slutsky, V. Su, X-Sun, Swank, Z. Tang, W. Aurich, J Vanderwerp, B. Wallstrom, Z. Wang, W. Wei dan R-Young, 13 Oktober 2021, Tersedia di sini. pesan ulasan fisik.
arXiv: 2106.10375