Međunarodna grupa fizičara na čelu s istraživačima sa Sveučilišta Indiana (eng. Indiana University ili IU) najavila je najpreciznije mjerenje neutronskog života na svijetu.

Znanstvena svrha eksperimenta, koji IU vodi više od desetljeća, je mjerenje koliko dugo, u prosjeku, slobodni neutron živi izvan granica atomske jezgre.

Rezultati grupe, koja obuhvaća znanstvenike iz preko 10 nacionalnih laboratorija i sveučilišta u Sjedinjenim Državama i inozemstvu, predstavljaju više od dva puta poboljšanje u odnosu na prethodna mjerenja - s neizvjesnošću manjom od jedne desetine posto.

Rad je objavljen u izdanju časopisa Physical Review Letters od 13. listopada. To je također bila tema informativnog sastanka uživo na Jesenskom sastanku Odjela za nuklearnu fiziku Američkog fizičkog društva 2021. godine.

"Ovaj rad postavlja novi zlatni standard za mjerenje koje ima temeljnu važnost za pitanja kao što su relativno obilje elemenata stvorenih u ranom svemiru", rekao je David Baxter, predsjednik Odjela za fiziku s IU-ovog Bloomington koledža za umjetnost i znanost (IU Bloomington College of Arts and Sciences). "Ponosni smo na dugogodišnju ulogu IU-a kao vodeće institucije u ovom radu". Istraživanje je provedeno u Nacionalnom laboratoriju Los Alamos.

"Proces kojim se neutron 'raspada' u proton - s emisijom lakog elektrona i gotovo bezmasenog neutrina - jedan je od najfascinantnijih procesa poznatih fizičarima", kazao je Salvat, koji je vodio eksperimente u Los Alamosu. "Napori da se ta vrijednost vrlo precizno izmjeri značajni su jer razumijevanje preciznog životnog vijeka neutrona može rasvijetliti kako se svemir razvio - kao i omogućiti fizičarima da otkriju nedostatke u našem modelu subatomskog svemira za koji znamo da postoji, ali ga još nitko nije uspio pronaći".

Neutrone korištene u studiji proizvodi ultrahladni izvor neutrona Los Alamos Neutron znanstvenog centra pri Nacionalnom laboratoriju Los Alamos. Eksperiment UCNtau hvata ove neutrone, čije su temperature spuštene na gotovo apsolutnu nulu, unutar "kade" (eng. "bathtub") obložene s oko 4.000 magneta. Nakon 30 do 90 minuta čekanja, istraživači broje preživjele neutrone u kadi dok ih sila magneta levitira protiv gravitacije.

Jedinstveni dizajn UCNtau zamke omogućuje neutronima da ostanu pohranjeni više od 11 dana, znatno dulje od ranijih dizajna, minimizirajući potrebu za sustavnim korekcijama koje bi mogle iskriviti rezultate mjerenja životnog vijeka. Tijekom dvije godine istraživači studije izbrojali su oko 40 milijuna neutrona uhvaćenih ovom metodom. Ti su napori bili rad na tezi F. Gonzaleza, koji je prikupljao podatke u Los Alamosu kao apsolvent IU-a od 2017. do 2019. i vodio analizu objavljenog rezultata.

D. Salvat je kazao kako će rezultati eksperimenta pomoći fizičarima da potvrde ili poreknu valjanost "Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrice", koja se odnosi na subatomske čestice zvane kvarkovi i igra važnu ulogu u općeprihvaćenom "standardnom modelu" fizike čestica. Također će pomoći fizičarima da shvate potencijalnu ulogu koju nove ideje u fizici, kao što su neutroni koji se raspadaju u tamnu tvar, mogu igrati u evoluirajućim teorijama o svemiru, kao i možda pomoći objasniti kako su nastale prve atomske jezgre.

"Temeljni model koji objašnjava raspad neutrona uključuje kvarkove koji mijenjaju svoj identitet, ali nedavno poboljšani izračuni sugeriraju kako se taj proces možda neće dogoditi kako je ranije predviđeno", kazao je Salvat. "Naše novo mjerenje neutronskog vijeka trajanja pružit će neovisnu procjenu za rješavanje ovog pitanja ili pružiti mnogo tražene dokaze za otkriće nove fizike."