Manglende nøytroner kan føre et hemmelig liv som mørk materie


Neutroner, de allsidige tilsynelatende innbyggerne av atomer, kunne skjule en hemmelig forbindelse til mørk materie, ifølge et nytt forslag. Getty Images Neutroner bør ikke være så mystiske. Funnet inne i hver atomkjerne, kan de virke rett og slett verdslige - men de har lange, forvirrede fysikere som prøver å måle hvor lenge disse partiklene kan leve utenfor atomer. I over

Neutroner, de allsidige tilsynelatende innbyggerne av atomer, kunne skjule en hemmelig forbindelse til mørk materie, ifølge et nytt forslag. Getty Images

Neutroner bør ikke være så mystiske. Funnet inne i hver atomkjerne, kan de virke rett og slett verdslige - men de har lange, forvirrede fysikere som prøver å måle hvor lenge disse partiklene kan leve utenfor atomer. I over ti år har forskere prøvd to typer eksperimenter som har gitt motstridende resultater. Forskere har slitt med å forklare uoverensstemmelsen, men et nytt forslag tyder på at skyldige kan være en av de største mysteriene for alle: mørk materie.

Forskerne er ganske sikre på at universet inneholder mer materie enn de ting vi kan se, og deres beste gjetning er at det tar form av usynlige partikler. Hva om neutroner forfall i disse usynlige partiklene? Denne ideen, fremsatt av Universitetet i California, San Diego, fysikere Bartosz Fornal og Benjamin Grinstein i et papir som ble lagt ut denne måneden til fysikkens fortrykssted arXiv.org, ville forklare hvorfor en type neutroneksperiment konsekvent måler en annen verdi enn den andre . Hvis det er sant, kan det også gi den første måten å få tilgang til den mørke saken partiklene fysikere har lenge vært ute etter.

Ideen har allerede gripet mange forskere som gjør nøytronlevetidsmålinger, og noen har raskt kryptert for å se etter bevis for det i sine eksperimenter. Hvis nøytroner blir til mørk materie, kan prosessen også produsere gamma-strålefotoner, ifølge Fornal og Grinsteins beregninger. "Vi har noen germanium gamma-stråle detektorer ligger rundt, " sier Christopher Morris, som driver neutron eksperimenter på Los Alamos National Laboratory. Ved serendipity har han og hans team nylig installert en stor tank for å samle nøytroner på vei fra eksperimentets begynnelse til det punktet hvor fysikere forsøker å måle sine livstider. Denne tanken ga en stor holdecelle hvor mange nøytroner kunne forfall i mørke partikler, hvis prosessen faktisk oppstår, og produserer gamma-stråler som et biprodukt. "Da vi hørte om dette papiret, tok vi vår detektor og satte den opp ved siden av vår store tank og begynte å lete etter gammastråler." Han og hans team analyserer fortsatt resultatene av denne prøveperioden, men håper å få et papir ut i Noen uker rapporterte om hva de fant.

Bare en av de to typer neutronforfall-eksperimenter ville være følsom for nøytroner som forfall i mørk materie. Denne typen, kalt "flaskeforsøk", legger i det vesentlige et gitt antall nøytroner i en "flaske" med magnetiske vegger som holder dem inne, og teller hvor mange som er igjen etter en viss tid. Gjennom mange målinger kan forskerne beregne hvor lenge et gjennomsnittlig nøytron lever.

Den andre typen eksperiment ser etter hovedproduktet av neutronforfall. Gjennom en velkjent prosess som kalles beta forfall, vil et nøytron utenfor en atomkjerne brytes ned i en proton, en elektron og en antimatternutrino. Såkalte "stråle" -forsøk skaper en stråle av nøytroner i en magnetfelle som fanger positivt ladede protoner. Forskere teller hvor mange nøytroner som går inn, og hvor mange protoner kommer ut etter en gitt tid, og utled da den gjennomsnittlige tiden det tar et neutron å forfalle.

Begge klassene av eksperimenter finner nøytroner kan vare i bare ca. 15 minutter utenfor atomer. Men flaskeforsøk måler et gjennomsnitt på 879, 6 sekunder pluss eller minus 0, 6 sekund, ifølge Particle Data Group, et internasjonalt statistisk samarbeid. Beam-eksperimenter får en verdi på 888, 0 sekunder pluss eller minus 2, 0 sekunder. Den 8, 4 sekunders forskjellen kan ikke virke så mye, men den er større enn noen av beregningene "feilmarginer", som er basert på eksperimentatorens forståelse av alle usikkerhetskilder i deres målinger. Forskjellen etterlater de to tallene med en statistisk signifikant "4-sigma" avvik. Eksperimenter bak begge metodene har slettet sine oppsett for oversett problemer og kilder til usikkerhet, uten lykke så langt.

Men hvis nøytroner kan forvandle seg på flere måter enn bare beta-forfall, ville det forklare hvorfor flaske- og stråleforsøk ikke finner de samme svarene. Fornal og Grinstein antyder at noen ganger nøytroner blir til en slags mørk partikkel, uoppdagelig på tradisjonell måte. Flaskeforsøkene må da måle en litt kortere levetid for neutronet enn stråleforsøk, fordi den tidligere ville telle de mørke materielle fallene i tillegg til beta-decays-og dermed oppdage et større antall totale henfall i en gitt tidsperiode. Stråleoppsettet måler imidlertid bare hvor lang tid det tar neutroner å bli protoner, slik at deres tally ikke vil inkludere mørke materielle nedfall, og derfor vil neutroner holde seg litt lenger. Og det er faktisk hva de to metodene viser.

"Det ville vært fint å ha en forklaring, " sier Peter Geltenbort, som driver flaskeforsøk ved Institut Laue-Langevin i Frankrike. Hvis den mørke partikkelidéen er riktig, betyr det at vi eksperimentalister gir den riktige feilen for våre mål. Folk har skrevet at kanskje vi bare er for optimistiske å estimere våre systematiske [usikkerheter], men det ville bekrefte at vi gjorde en god jobb. "Geltenbort samarbeider også med Morris om Los Alamos flaskeforsøk.

Kanskje den større implikasjonen - hvis neutroneksperimenter viser noe bevis for den mørke partikkelhypotesen - er at fysikere kan ha en kobling til mørkt materiale. Den mørke partikkelen som Fornal og Grinstein foreslår, kan være den samme partikkelen som utgjør kosmosens manglende masse. Det kan også være en annen usynlig partikkel, kanskje en del av en større sektor av mange mørke partikler. "De [Fornal og Grinstein] bygger et veldig spesifikt sett med modeller for å forklare nøytrallevetidenes uoverensstemmelse, " sier mørk materiell teoretiker Peter Graham fra Stanford University. "Det er ikke klart at modellene deres virkelig passer inn i andre mørke materie modeller som folk har bygget av andre grunner." For at neutronet skal nedbrytes til en mørk partikkel, må den partikkelen være lettere enn nøytronens masse på rundt 940 MeV / c 2 (mega-elektronvolt divideres med lysets hastighet firkantet). På den annen side vil en av de mest populære klassene av teoretiserte mørke partikkelpartikler, såkalte svakt samvirkende massive partikler (WIMPs), veie et sted rundt 100 GeV / c 2 (giga-elektronvolt dividert med lysets hastighet kvadret) - 100 ganger mer enn et nøytron.

Fornal begynte først å tenke på neutron gåten om et år siden. "Jeg løp inn i en artikkel av Peter Geltenbort om denne mystiske uoverensstemmelsen mellom nøytrallevetidsmålingene, " og tenkte, "wow, det er en veldig stor ting å forklare, " sier han. Artikkelen var en tilpasning av en april 2016 historie Geltenbort hadde forfattet med University of Tennessee Knoxville fysiker Geoffrey Greene som ble publisert i Institut Laue-Langevins årsrapport. Fornal sier at han ble minnet om emnet for noen måneder siden, da han og Grinstein kom over en referanse til den. "Vi fant ingen teoretisk modell som forklarte dette, og trodde det kunne være en interessant ting å gjøre, " sier han. Forskerne jobbet på hypotesen over helligdager og skrev ut papiret nettopp etter det nye året. De er overrasket - men begeistret - at de kanskje snart vet om neutronforfall eksperimenter ser bevis for deres forslag. "[Neutronforskere] begynte å lete etter dette så fort, " sier Fornal. "Det er hyggelig å høre at denne teorien ikke er koblet fra eksperimenter."

Sporty Science: Mekanikken i et karnevalspillGamle romerske metall brukt til fysikkeksperiment ignorerer vitenskapsfudPartikler funnet å reise raskere enn lysets hastighetDenne uken, verdensmøtet om endring av menneskene, utforsker etiske grenserAstronomer Bruk Shadowy Alien Worlds til peer Inside StarsAnbefalt: Princeton Field Guide til DinosaurerFree-Fall Forensics: Flytende dråper Gjør nysgjerrige kratereOppdrett et gift for å holde avlinger sunt