В исследовании, опубликованном 11 мая в журнале Science, сообщается о высокоточном способе измерения скорости распада нейтронов. Автор исследования, Чен-Ю Лю, профессор факультета физики Блумингтонского колледжа искусств и наук.«Это значительное улучшение по сравнению с предыдущими экспериментами», — сказал Лю, руководитель эксперимента UNCtau, в котором используются нейтроны из источника ультрахолодных нейтронов Лос-Аламосского центра нейтронных исследований в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико. «Данные намного точнее, чем то, что у нас было раньше».Скорость распада нейтронов — субатомных частиц без заряда — важна, потому что она используется для предсказания соотношения водорода и гелия во Вселенной через несколько минут после Большого взрыва.
Число также влияет на вычисления, используемые для определения того, насколько быстро атомы водорода сгорают внутри звезд, и на правила, управляющие элементарными частицами, такими как кварки и глюоны. Это связано с тем, что во время распада нейтрона один «верхний» кварк превращается в «нижний» кварк — процесс, который физики еще не полностью понимают.В настоящее время ученые используют два метода для выделения нейтронов и расчета скорости их распада:«Бутылочный» метод: подсчет количества нейтронов, которые остаются с течением времени после того, как они оказались в ловушке внутри контейнера.Метод «пучка»: измерение скорости протонов, выходящих из пучка нейтронов, генерируемого ядерным реактором.
Некоторые физики считают лучевой метод более точным, поскольку при бутылочном методе существует риск ошибочного подсчета нейтронов, поглощенных контейнером, как исчезающих при распаде. Но в исследовании Лю и его коллег используется невидимый контейнер, сделанный из магнитных полей и силы тяжести, чтобы исключить риск помех от физического материала. В результате эксперимент может измерить время жизни нейтрона с высокой точностью.
«Нейтрон технически может жить внутри нашей ловушки в течение трех недель, что намного дольше, чем любые другие ранее сконструированные« бутылочные »ловушки», — сказал Лю. «Такой долгий срок службы ловушки позволяет достичь очень точных измерений».Использование «магнито-гравитационной ловушки», в которой магнитный заряд и масса нейтронов не позволяет им покинуть контейнер, также упрощает измерение нейтронов, поскольку бутылка «без крышки», — сказал Лю.Лаборатория Лю присоединилась к эксперименту UNCtau в 2011 году, чтобы вдохнуть новую жизнь в проект. На проектирование, изготовление, испытания и установку оборудования у нейтронного источника в Лос-Аламосе потребовалось пять лет, после чего команда приступила к проведению экспериментов и сбору данных.
Члены лаборатории Лю регулярно ездят в Нью-Мексико для тестирования оборудования, проведения экспериментов и записи результатов.«Пять лет на проведение эксперимента и получение данных — это очень быстро в нашей области», — сказал Лю. «Мы проводили около шести месяцев на месте и шесть месяцев на создание оборудования каждый год.
Это был действительно цикл быстрого прототипирования и улучшения. Мы никогда не смогли бы обновить технологию без механической и технической поддержки, доступной в Центре IU для Исследование энергии и материи ».