Bí ẩn thời gian sống của neutron

Neutron là một trong những khối cơ bản của vật chất, bản sao trung tâm của proton dương. Giống như những hạt hạ cơ bản khác, neutron không tồn tại lâu bên ngoài các hạt nhân. Khoảng 15 phút, nó bị phá vỡ thành một proton, một electron và một hạt nhỏ là phản neutrino.

Nhưng vẫn còn một chút bí ẩn về việc neutron tồn tại bao lâu. Một phương pháp đo đạc là 887,7 giây, cộng thêm 2,2 giây. Một phương pháp khác là 878,5 giây, cộng thêm 0,8 giây. Ban đầu, sự khác biệt này được cho là do độ nhạy của vật chất đo đạc. Nhưng khi các nhà khoa học tiếp tục thực hiện một loạt các thực nghiệm với mức độ chính xác hơn trước để đánh giá các vấn đề có thể xảy ra thì sự thiếu nhất quán vẫn còn tồn tại.

Điều này dẫn đến khả năng là sự khác biệt chỉ ra một số dạng mà vật lý vẫn còn chưa biết đến. Nó có thể tiết lộ về một quá trình phân rã neutron mới, hoặc có thể chỉ ra vấn đề khoa học vượt qua Mô hình chuẩn mà các nhà khoa học hiện nay vẫn thường sử dụng để giải thích mọi vấn đề của vật lý hạt. Có một số các hiện tượng mà Mô hình chuẩn không thể giải thích một cách đầy đủ và sự khác biệt này có thể chỉ ra cách thức trả lời những câu hỏi đó.

Để tiết lộ về sự chênh lệch kỳ lạ này, Phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Mĩ đang làm việc với những cơ quan liên bang, phòng thí nghiệm quốc gia và trường đại học khác để nắm bắt được khoảng thời gian tồn tại của neutron.

Một đại lượng cơ bản

Các nhà vật lý hạt nhân nghiên cứu thời gian tồn tại của neutron đầu tiên bởi đây là vấn đề thiết yếu trong vật lý. “Có một số đại lượng cơ bản trong tự nhiên dường như bao giờ cũng hết sức quan trọng”, Geoff Greene, giáo sư trường đại học Tennessee và là nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (DOE). Ông đã từng nghiên cứu về thời gian tồn tại của neutron trong gần suốt cuộc đời nghiên cứu của mình - gần khoảng 40 năm. “Các lý thuyết đến rồi đi nhưng thời gian tồn tại của neutron dường như vẫn còn là một tham số trung tâm trong vô số vấn đề”.

Geoff Greene, giáo sư trường đại học Tennessee và là nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (DOE). Nguồn:Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge

Neutron là thứ hướng dẫn hữu dụng để người ta có thể hiểu về các hạt khác. Đây là loại hạt đơn giản bậc nhất vì thông thường, nó vẫn bị tách thành các hạt khác, qua đó đem lại rất nhiều thông tin về lực tương tác yếu – lực xác định liệu các neutron chuyển thành các proton hay không. Thông thường, quá trình này còn tạo ra năng lượng và là nguyên nhân hạt nhân bị phá vỡ. Những tương tác của lực yếu cũng đóng một vai trò quan trọng trong phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, nơi hai proton kết hợp.

Thời gian sống của neutron có thể giúp người ta hiểu sâu hơn vào những bí ẩn diễn ra sau Big Bang. Chỉ một vài giây sau khi các proton và neutron hình thành nhưng trước khi chúng kết hợp với nhau thành các nguyên tố, chính xác là có một khoảng thời gian ngắn ngủi. Vũ trụ đã lạnh xuống một cách nhanh chóng. Tại một điểm xác định, nó đủ lạnh để các proton và neutron hầu như ngay lập tức hợp lại để hình thành heli và hydro. Nếu như các neutron phân rã thành proton nhanh hơn hoặc chậm hơn, nó có thể tác động nhiều hơn vào quá trình lạnh đi của vũ trụ. Nó có thể góp phần tạo ra một sự cân bằng rất khác về các nguyên tố trong vũ trụ; có thể là sự sống không thể tồn tại.

“Đây là một trong những rủi ro ngẫu nhiên của tự nhiên mà nhờ đó, chúng ta có những nguyên tố hóa học như hiện nay”, Greene nói.

Các nhà khoa học cũng muốn có một con số xác thực cho thời gian tồn tại của neutron để đưa vào các phương trình đó. Họ cần làm giảm bớt sự không chắc chắn của thời gian tồn tại đó xuống ít hơn một giây. Nhưng điều này thực sự phức tạp hơn nhiều so với hình dung ban đầu. “Thời gian sống của neutron là một trong những tham số cơ bản của Mô hình Chuẩn mà chúng ta biết ít nhất”, Zhaowen Tang, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (LANL), nói.

Các thực nghiệm đơn lẻ đã có thể chạm tới gần mức chính xác đó. Nhưng sự thiếu tương đồng giữa các dạng thực nghiệm đang cản trở các nhà khoa học có được một con số cụ thể.

Khám phá sự thiếu nhất quán

Từ trái sang: Các thành viên ORNL Matthew Frost và Leah Broussard thực nghiệm trên Phản xạ kế từ tại Máy gia tốc nguồn neutron Spallation, để nghiên cứu về các neutron đối xứng gương. Nguồn: Genevieve Martin /Oak Ridge National Laboratory, DOE

Mọi nhà vật lý đều khao khát phát hiện ra sự khác biệt một cách toàn diện. Sử dụng hai hoặc nhiều phương pháp đo đạc cùng đại lượng là cách tốt nhất để đạt đến một đo lường chính xác nhưng các nhà khoa học không thể đặt thời gian lên các neutron để thấy nó phân rã nhanh như thế nào. Thay vào đó, họ tìm ra các cách đo lường neutron trước và sau khi chúng phân rã để đo lường thời gian sống.

Các thí nghiệm sử dụng các chùm tia đều thực hiện trên những thiết bị có thể tạo ra các luồng neutron. Các nhà khoa học đo đường số lượng neutron trong một bộ cụ thể của chùm tia. Sau đó họ hướng luồng tia đó thông qua một từ trường và xuyên qua một cái bẫy hạt hình thành từ từ trường và điện tường. Các neutron phân rã trong cái bẫy đó, nơi các nhà khoa học đo đạc số lượng các proton được tạo ra.

“Rất khó để có thể đo đạc được một cách chính xác thí nghiệm trên chùm tia”, Shannon Hoogerheide, một nhà vật lý tại Viện nghiên cứu tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Mỹ (NIST), và hợp tác với các nhà khoa học của DOE. “Việc đo đạc chùm tia đòi hỏi không chỉ một cách mà thậm chí là hai cách đo”.

Thực nghiệm “trong chai” bắt neutron siêu lạnh đều thực hiện trong một container. Neutron siêu lạnh chuyển động chậm hơn những neutron thông thường – một vài mét mỗi giây so với 10 tỷ mỗi giây từ các phản ứng phân hạch. Các nhà khoa học đo lường cách bao nhiêu neutron trong container tại điểm bắt đầu và sau một khoảng thời gian nhất định thì lặp thêm một lần nữa. bằng việc xác định sự khác biệt, họ có thể tính toán các neutron phân rã nhanh như thế nào.

“Thí nghiệm ‘trong chai’ đo đạc những kẻ sống sót, thực nghiệm chùm tia đo đạc kẻ chết”, Greene nói. “Thực nghiệm ‘trong chai’ có vẻ dễ thực hiện nhưng thực tế lại rất khó làm. Mặt khác, thí nghiệm chùm tia thì có vẻ khó thực hiện và đúng là như vậy”.

Một thí nghiệm chùm tia tại NIST vào năm 2005 (với sự hỗ trợ của DOE) và thí nghiệm ‘trong chai’ ở Pháp diễn ra sau đó không lâu đã đem lại bằng chứng đầu tiên về sự khác biệt này trong đo đạc. kể từ đó, các thí nghiệm đã cố gắng giảm không gian giữa hai thí nghiệm đó bằng việc tối thiểu càng nhiều sự bất định càng tốt.

Greene và những người hợp tác với ông đặt ra những đo đạc mới vào năm 2013 tại NIST có thể giúp họ tái tính toán lại thực nghiệm chùm tia năm 2005 với độ chính xác cao hơn. Với điều đó, các nhà khoa học đã hoàn thành được năm thí nghiệm ‘trong chai’ và hai thí nghiệm chùm tia. Greene cũng tin rằng những thí nghiệm chùm tia trước đã để lỡ một trong những nguồn bất định lớn nhất – đếm một cách chính xác số lượng các neutron trong chùm tia. Họ đã cái thiện độ chính xác của phép đo lường này tới năm lần. Tám năm làm việc cật lực cũng đem lại cho họ khoảng cách gần tương đương nhau trong các kết quả đo đạc.

Các nhà vật lý nghiên cứu về các thực nghiệm ‘trong chai’ phải đối mặt với nhiều khó khăn. Một trong những thách thức lớn nhất là giữ cho các neutron khỏi bị mất trong các phản ứng với vật liệu làm nên container. Một ‘thất thoát’ cũng thay đổi lượng neutron tại điểm cuối và ảnh hưởng đến việc tính toán thời gian sống của nó.

Để giải quyết vấn đề này, phần lớn các thực nghiệm ‘trong chai’ hiện nay tại LANL (do Phòng khoa học của DOE hỗ trợ kinh phí) đều loại trừ các bức tường vật lý. Thay vào đó, các nhà vật lý hạt nhân đều sử dụng từ trường và lực hấp dẫn để giữ các neutron tại chỗ. “Tôi cho rằng nếu tôi làm điều đó, chúng tôi có thể giữ cho neutron tồn tại lâu hơn và phù hợp với sự tồn tại của chùm tia”, Chen-Yu Liu, một giáo sư tại trường đại học Indiana và là người phụ trách thực nghiệm. Đó là suy nghĩ của tôi”.

Nhưng vẫn còn sự khác biệt. “Đó là cú sốc lớn đối với tôi”, cô nói và miêu tả kết quả kết quả công bố năm 2018.

Sự chênh lệch đó xảy ra trong những trường hợp ngẫu nhiên, dưới một phần vạn. nhưng nó có thể vẫn là nguyên nhân dẫn đến sai sót trong nhiều thực nghiệm.

Săn vấn đề tận gốc rễ

Leah Broussard, một nhà vật lý hạt nhân tại ORNL Nguồn:ORNL

Các nhà khoa học đối mặt với hai dạng bất định hoặc các lỗi trong thực nghiệm: thống kê hoặc hệ thống. Các lỗi thống kê từ việc không đủ dữ liệu để rút ra những kết luận chắc chắn. Nếu anh có nhiều dữ liệu hơn, anh có thể giảm bớt các lỗi đó xuống. Các lỗi hệ thống là những bất định cơ bản với thực nghiệm này. Nhiều lần, chúng xuất hiện một cách không rõ ràng. Hai dạng thực nghiệm về thời gian sống của neutron lại có những lỗi hệ thống rất khác nhau. Thực nghiệm này có thể là công cụ kiểm tra quan trọng với thực nghiệm kia, nếu các kết quả của chúng trùng khớp. Nhưng nó cũng khiến cho các nhà khoa học vô cùng khó hình dung ra khi không trùng khớp.

“Điều phức tạp nhất trong đo thời gian sống của neutron là nó quá ngắn và quá dài”, Hoogerheide nói. “Hóa ra, 15 phút là khoảng thời gian đầy rẫy khó khăn để đo đạc trong vật lý”.

Vì vậy các nhà khoa học hạt nhân đang tiếp tục thực nghiệm để thu thập dữ liệu nhiều hơn và giảm thiểu các lỗi hệ thống.

“Một trong những điều mà tôi thấy thú vị nhất trong lĩnh vực nghiên cứu của tôi là sự tập trung vào chi tiết đòi hỏi anh phải hiểu biết một cách sâu sắc về từng khía cạnh của thí nghiệm theo trật tự để có thể đem lại một phép đo chính xác”, Leah Broussard, một nhà vật lý hạt nhân tại ORNL, nói.

Tại NIST, Hoogerheide, Greene và những người khác đang thực hiện một thí nghiệm chùm tia mới có thể giải quyết từng vấn đề theo cách toàn diện nhất có thể. Thật không may, việc điều chỉnh những ảnh hưởng này lại ảnh hưởng đến cái khác, vì vậy mà họ cứ tiến hai bước lại lùi một bước.

Các nỗ lực khác cũng đang được thực hiện với nhiều cách mới để đo đạc thời gian sống của neutron. Các nhà nghiên cứu từ trường đại học Johns Hopkins và trường đại học Durham được DOE hỗ trợ để tìm ra cách sử dụng dữ liệu từ NASA để đo đạc thời gian sống quan trọng này. Trên cơ sở các neutron từ sao Kim và sao Thủy, họ tính toán thời gian sống 780 giây với một bất định 130 giây. Nhưng do dữ liệu không được thu thập cho mục đích này nên sự bất định quá lớn để có thể giải quyết được sự khác biệt về thời gian sống. Tại LANL, Tang đang thiết lập một thực nghiệm bao gồm cả các thí nghiệm ‘trong chai’ và chùm tia. Thay vì đo đạc các proton tại điểm cuối, họ sẽ đo đạc cả các electron.

Các khả năng mới

Có thể là sự khác biệt sẽ còn tiết lộ một khoảng trống về hiểu biết của chúng ta về hạt cơ bản này.

“Chúng tôi phải lật mọi thứ lên”, Tang nói. “Có nhiều ví dụ về việc nhìn thấy cái gì đó mới nhưng lại phạm lỗi làm việc không đủ sâu còn một số người thì làm được điều đó và nhận giải Nobel Prize”.

Một lý thuyết cho rằng neutron bị phá vỡ theo cách các nhà khoa học đơn giản là không thể nhận biết được. Nó có thể phá vỡ những hạt khác nhau hơn là sự kết hợp của các proton, electron, và phản neutrino. Nếu làm được điều này, người ta có thể giải thích được tại sao các neutron lại biến mất trong những thực nghiệm ‘trong chai’ mà số các proton tương ứng không chứng tỏ các thí nghiệm chùm tia.

Các ý tưởng khác thậm chí còn quyết liệt hơn. Một số nhà lý thuyết đề xuất là các neutron đang phá vỡ thành các tia gamma và vật chất tối bí ẩn. Vật chất tối chiếm 75% vật chất trong vũ trụ mà chúng ta chỉ biết đến nó thông qua tương tác với vật chất thông thường thông qua lực hấp dẫn. Để kiểm tra lý thuyết này, một nhóm các nhà khoa học tại LANL đã thực hiện một phiên bản thực nghiệm ‘trong chai’, nơi họ đo đạc cả các neutron và tia gamma. Nhưng tia gamma đề xuất không phải là vật chất hóa, khiến cho các nhà khoa học không có bằng chứng cho vật chất tối sinh ra từ các neutron.

Ý tưởng vật chất gương dường như là khoa học viễn tưởng. Về lý thuyết, lượng neutron “bị mất” có thể trở thành các neutron gương, những bản sao chép hoàn hảo tồn tại trong một vũ trụ đối nghịch. Tiến hóa theo một cách khác với vũ trụ chúng ta, vũ trụ gương có thể lạnh hơn và có lượng heli vượt trội. Trong khi một số nhà khoa học hạt nhân như Greene nghĩ rằng điều này không hợp lý, những người khác quan tâm đến việc kiểm tra nó.

“Đây là một lĩnh vực còn ít được khám phá. Nó rất hấp dẫn tôi bởi tôi có một nguồn vô cùng lớn các neutron trong ‘sân sau’ của tôi”, Broussard nói, hàm ý đến Máy gia tốc Spallation Neutron Source và Lò phản ứng đồng vị thông lượng cao tại ORNL.

Để kiểm chứng lý thuyết này, Broussard đang phân tích dữ liệu từ một thực nghiệm tương tự các thực nghiệm thời gian tồn tại của chùm tia nhưng điều chỉnh để có thể bắt được dấu hiệu của đối tác tiềm năng còn chưa được thấy của các neutron. Bằng việc bắn một chùm tia neutron thông qua một từ trường cụ thể và sau đó dừng lại với một vật liệu có thể “bắt” neutron chậm lại, cô và cộng sự có thể dò được liệu có hay không các neutron đối xứng gương tồn tại.

Bất kể thực nghiệm này mang lại những kết quả nào, việc thực hiện nghiên cứu để hiểu hơn về thời gian sống của neutron sẽ còn tiếp tục. “Có rất nhiều nỗ lực để đo đạc một cách chính xác thời gian sống của neutron. Điều đó nói cho anh thấy cảm xúc của các nhà khoa học trước sự thiếu thống nhất trong lĩnh vực này – tôi muốn khám phá nó!’, Broussard nói. “Mỗi nhà khoa học đều đượcthúc đẩy bằngniềm khao khát học hỏi, niềm khao khát hiểu biết”.