Jak długo żyją neutrony? Różne wyniki pomiarów są ze sobą sprzeczne.
Naukowcy z TU Wien proponują, że wolne neutrony mogą istnieć w nieznanych wcześniej stanach wzbudzonych, co potencjalnie rozwiązuje rozbieżności w zmierzonych czasach życia pomiędzy wiązkami neutronów a „butelkami” magnetycznymi. Hipoteza sugeruje, że stany te mogą znacznie zmienić tempo zaniku, co powoduje potrzebę nowych eksperymentów w celu potwierdzenia tej teorii, przy czym zainteresowanie międzynarodowe już osiąga szczyt.
Dylemat rozpadu neutronów
Neutrony to podstawowe cząstki tworzące materię. Kiedy są częścią stabilnego jądra atomowego, mogą tam pozostać przez czas nieokreślony. Jednakże wolne neutrony – te niezwiązane w jądrze – rozpadają się średnio po około piętnastu minutach.
Jednak, co dziwne, naukowcy zaobserwowali sprzeczne wyniki podczas pomiaru czasu życia wolnych neutronów. Wyniki różnią się w zależności od tego, czy neutrony są badane w wiązce neutronów, czy zamknięte w „butelce” za pomocą pól magnetycznych. Zespół badawczy z TU Wien zasugerował możliwe wyjaśnienie: neutrony mogą mieć nieznane wcześniej stany wzbudzone. W tych stanach neutrony mogłyby mieć nieco większą energię i inny czas życia, co wyjaśniałoby rozbieżności. Zespół bada już metody wykrywania wzbudzonych stanów neutronów.
Dwie metody pomiaru, dwa wyniki
Przez czysty przypadek, bez żadnego powodu, neutrony mogą spontanicznie rozpaść się zgodnie z prawami teorii kwantowej – zamieniając się w proton, elektron i antyneutrino. Jest to szczególnie prawdopodobne, jeśli jest to wolny neutron. Jeśli neutron łączy się z innymi cząstkami, tworząc jądro atomowe, może być stabilny.
Średni czas życia wolnych neutronów jest zaskakująco trudny do zmierzenia. „Od prawie trzydziestu lat fizycy są zaskoczeni sprzecznymi wynikami na ten temat” – mówi Benjamin Koch z Instytutu Fizyki Teoretycznej TU Wien. Analizował tę zagadkę wspólnie ze swoim kolegą Felixem Hummelem. Obaj ściśle współpracują z zespołem badawczym neutronów kierowanym przez Hartmuta Abele z Instytutu Atomowego na TU Wien.
„W przypadku takich pomiarów jako źródło neutronów często wykorzystuje się reaktor jądrowy” – wyjaśnia Benjamin Koch. „Wolne neutrony powstają podczas rozpadu radioaktywnego w reaktorze. Te wolne neutrony można następnie skierować do wiązki neutronów, gdzie można je precyzyjnie zmierzyć”. Można zmierzyć, ile neutronów znajduje się na początku wiązki neutronów i ile protonów powstaje w procesie rozpadu. Jeśli wartości te zostaną określone bardzo precyzyjnie, można obliczyć średni czas życia neutronów w wiązce.
Można jednak przyjąć inne podejście i spróbować przechowywać neutrony w czymś w rodzaju „butelki”, na przykład za pomocą pól magnetycznych. „To pokazuje, że neutrony z wiązki neutronów żyją około osiem sekund dłużej niż neutrony w butelce” – mówi Benjamin Koch. „Przy średniej żywotności wynoszącej niecałe 900 sekund jest to znacząca różnica – o wiele za duża, aby można ją było wytłumaczyć zwykłą niedokładnością pomiaru”.
Badanie wzbudzonych stanów neutronów
Benjamin Koch i Felix Hummel byli w stanie wykazać: Tę rozbieżność można wyjaśnić, zakładając, że neutrony mogą mieć stany wzbudzone – wcześniej nieodkryte stany o nieco wyższej energii. Stany takie są dobrze znane atomom i stanowią podstawę np. laserów. „W przypadku neutronów dokładne obliczenie takich stanów jest znacznie trudniejsze” – mówi Benjamin Koch. „Możemy jednak oszacować, jakie powinny mieć właściwości, aby wyjaśnić różne wyniki pomiarów czasu życia neutronów”.
Hipoteza badaczy zakłada, że wolne neutrony powstające w wyniku rozpadu radioaktywnego znajdują się początkowo w mieszaninie różnych stanów: niektóre z nich to zwykłe neutrony w tak zwanym stanie podstawowym, ale inne są w stanie wzbudzonym, z trochę więcej energii. Z biegiem czasu jednak te wzbudzone neutrony stopniowo przechodzą w stan podstawowy. „Można to porównać do kąpieli z bąbelkami” – mówi Felix Hummel. „Jeśli dodam energii i zrobię bąbelki, powstanie dużo piany – można powiedzieć, że wprowadziłem kąpiel bąbelkową w stan wzbudzenia. Ale jeśli poczekam, bąbelki pękną i wanna sama wróci do pierwotnego stanu.
Jeśli teoria o wzbudzonych stanach neutronów jest poprawna, oznaczałoby to, że w wiązce neutronów występuje w znacznych ilościach kilka różnych stanów neutronów. Z drugiej strony neutrony w butelce składałyby się prawie wyłącznie z neutronów stanu podstawowego. W końcu neutrony potrzebują czasu, aby ostygnąć i zostać wychwycone w butelce – do tego momentu zdecydowana większość powróci już do stanu podstawowego.
„Według naszego modelu prawdopodobieństwo rozpadu neutronu silnie zależy od jego stanu” – mówi Felix Hummel. Logicznie rzecz biorąc, skutkuje to również różnymi średnimi czasami życia neutronów w wiązce neutronów i neutronów w butelce neutronów.
Potrzebne dalsze eksperymenty
„Nasz model obliczeniowy pokazuje zakres parametrów, w jakim musimy szukać” – mówi Benjamin Koch. „Czas życia stanu wzbudzonego musi być krótszy niż 300 sekund, w przeciwnym razie nie można wyjaśnić różnicy. Ale musi to być również dłuższe niż 5 milisekund, w przeciwnym razie neutrony byłyby już z powrotem w stanie podstawowym, zanim dotrą do eksperymentu z wiązką”.
Hipotezę dotyczącą wcześniej nieodkrytych stanów neutronów można sprawdzić, korzystając z danych z poprzednich eksperymentów. Dane te należy jednak ponownie ocenić. Aby jednak uzyskać przekonujący dowód, konieczne będą dalsze eksperymenty. Takie eksperymenty są obecnie planowane. W tym celu badacze ściśle współpracują z zespołami z Instytutu Fizyki Atomowej i Subatomowej Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu, których eksperymenty PERC i PERKEO doskonale nadają się do tego zadania. Grupy badawcze ze Szwajcarii i Los Alamos w USA również wykazały już zainteresowanie wykorzystaniem swoich metod pomiarowych do przetestowania nowej hipotezy. Technicznie i koncepcyjnie nic nie stoi na przeszkodzie dokonaniu niezbędnych pomiarów. Możemy więc mieć nadzieję, że wkrótce dowiemy się, czy nowa teza rzeczywiście rozwiązała istniejący od kilkudziesięciu lat problem fizyki.
Odniesienie: „Ekscytująca wskazówka dotycząca rozwiązania zagadki czasu życia neutronów”, Benjamin Kocha i Felix Hummel, 10 października 2024 r., Przegląd fizyczny D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.110.073004
