Bir Nötron Ömrünün Şimdiye Kadarki En Hassas Ölçümü Yapıldı

Artık, bir nötronun bir protona bozunmadan önce atom çekirdeğinin dışında ne kadar süre hayatta kalabileceğini binde bir hata oranıyla biliyoruz.

Bu, bu temel parçacıkların ömrünün şimdiye kadarki en hassas ölçümü olarak tarihe geçti ve önceki ölçümlere göre iki kattan daha iyi bir sonuç anlamına geliyor. Bu sonucun, Büyük Patlama'dan sonraki dakikalarda, evrendeki ilk maddenin nasıl oluştuğuna dair anlayışımız üzerinde yeni etkileri olacaktır ve artık daha iyi tahminlerde bulunabileceğiz.

Indiana Bloomington Üniversitesi 'den nükleer fizikçi Daniel Salvat, "Bir nötronun, bir hafif elektron ve neredeyse kütlesiz bir nötrino emisyonu ile bir protona 'bozunması' süreci, fizikçiler tarafından bilinen en büyüleyici süreçlerden biridir. Bu değeri çok hassas bir şekilde ölçme çabası önemlidir, çünkü nötronun kesin ömrünü anlamak evrenin nasıl geliştiğine ışık tutabilir. Ayrıca fizikçilerin atom altı evren modelimizde var olduğunu bildiğimiz ama kimsenin sahip olmadığı kusurları keşfetmesine yardımcı olabilir” dedi.

Araştırma, sadece nötron ömrünü ölçmek için özel bir deneyin kurulduğu Los Alamos Ulusal Bilim Merkezi'nde gerçekleştirildi. Buna UCNtau projesi deniyor ve bir manyeto-yerçekimi tuzağında depolanan ultra-soğuk nötronları (UCN'ler) içeriyor.

Nötronlar neredeyse mutlak sıfıra kadar soğutulur ve bir vakum ceketinin içindeki nötronları havaya kaldıran binlerce kalıcı mıknatısla kaplı çanak şeklindeki bir hazne olan tuzağa yerleştirilir.

Manyetik alan nötronların depolarize olmasını engeller ve yerçekimi ile birleşerek nötronların kaçmasını engeller. Bu tasarım, nötronların 11 güne kadar saklanmasını sağlar.

Araştırmacılar, nötronlarını 30 ila 90 dakika boyunca UCNtau tuzağında depoladılar, ardından ayrılan süreden sonra kalan parçacıkları saydı. 2017 ve 2019 yılları arasında gerçekleştirilen tekrarlanan deneyler boyunca, 40 milyondan fazla nötron ölçtüler ve parçacıkların ömrünü şimdiye kadarki en mükemmel hassasiyetle belirlemek için yeterli istatistiksel veri elde ettiler.

Bu ömür, araştırmacıların analizine göre 877.75 ± 0.28 saniye (14 dakika ve 38 saniye) civarındadır. İyileştirilmiş ölçüm, maddenin ve karanlık maddenin oluşumu da dahil olmak üzere evrene önemli fiziksel kısıtlamalar getirilmesine yardımcı olabilir.

Big Bang'den sonra işler nispeten hızlı oldu. İlk anlarda, Evreni dolduran sıcak, aşırı yoğun madde kuarklara ve elektronlara soğudu; saniyenin milyonda biri kadar sonra, kuarklar proton ve nötronlarda birleşti.

Nötronun ömrünü bilmek, fizikçilerin, eğer varsa, karanlık madde olarak bilinen evrendeki gizemli kütlenin oluşumunda çürüyen nötronların oynadığı rolü anlamalarına yardımcı olabilir. Araştırmacılar, bu bilginin, standart fizik modeli altında kuarkların davranışlarını açıklamaya yardımcı olan Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrisi adı verilen bir formülün geçerliliğini test etmeye de yardımcı olabileceğini söyledi.

Salvat, "Nötron bozunmasını açıklayan temel model, kuarkların kimliklerini değiştirmesini içeriyor, ancak son zamanlarda geliştirilmiş hesaplamalar, bu sürecin daha önce tahmin edildiği gibi gerçekleşmeyebileceğini gösteriyor. Nötron ömrüne ilişkin yeni ölçümümüz, bu sorunu çözmek için bağımsız bir değerlendirme ve yeni fiziğin keşfi için çok aranan kanıtlar sağlayacaktır." dedi.

Araştırma, Physical Review Letters’da kabul edildi ve arXiv'de mevcut.