A Los Alamos Nemzeti Laboratóriumban zajló kutatás során tizenkét amerikai egyetem és intézet tudósainak együttműködésében keresték a választ a szakértők arra a kérdésre, hogy vajon egészen pontosan meddig is létezhet egy neutron az atommagon kívül, mielőtt további részekre bomlik fel. Korábbi vizsgálatok során már születtek eredmények ezzel kapcsolatban, sőt, az ötvenes évek első mérései óta egészen közel sikerült jutni a lehető legpontosabb meghatározáshoz, de néhány évvel ezelőtt két egymásnak ellentmondó eredmény megakasztotta a folyamatot.

Abban a japán J-Parc (Japan Proton Accelerator Research Complex) és a NIST (National Institute of Standards) kutatói is egyetértettek, hogy az értékek valahol 14 perc és néhány másodperc, vagyis körülbelül 880 másodperc környékén lehetnek, de a hasonló módszerrel végzett mérések egyike nyolc másodperccel hosszabb időt adott meg végeredményül. A J-Parc ultrahideg neutronokkal végzett kísérletében 879,6 ± 0,6 másodpercig, a NIST mérései alapján 888,0 ± 2,0 másodpercig éltek a részecskék. Hogy mi lehet az oka az eltérésnek, azt maguk a kutatók sem tudták megfejteni, de a vizsgálatok tovább zajlottak az intézetekben, hogy fény derüljön a rejtélyre.

A Los Alamos Neutron Tudományos Központjában 2017-ben és 2018-ban elvégzett mérések, aminek eredményeit a Physical Review Lettersben tegnap publikálták a szerzők, egyelőre ugyan nem tesznek pontot a vita végére, mivel a három alkalmazott mérési módszernek csak az egyik típusával kapcsolatban hoztak eredményeket, de ezen a területen jelentősen tökéletesítették a vizsgálatok hatékonyságát. A szintén ultrahideg neutronokat alkalmazó kísérlet eredményei ugyanis minden eddiginél pontosabb adatokat szolgáltattak: a mérések alapján 877,75 ± 0,28 másodperc (+ 0,22/− 0,16syst) az az idő, ami a neutron bomlásáig eltelik. Az ultrahideg neutronokra alapozó vizsgálatok során a LANSCE Ultrahideg Neutron forrásával létrehozott részecskéket rendkívül alacsony hőmérsékletűre hűtötték, olyannyira, hogy a mozgásuk 5 m/s-ra lassult le, így pedig már be tudták őket fogni abba az erős mágneses mezőbe, amelyet egy 'kádban' elhelyezett 4000 mágnes segítségével állítottak elő.

Az egymással szomszédos mágnesek irányát nem hangolták össze, szándékosan asszimetrikus hatást akartak ugyanis létrehozni, hogy a neutronok ne kezdjenek egy irányba pörögni - ezt a kutatás eredményeinek elemzését végző, jelenleg az Argonne Nemzeti Laboratórium munkatársaként dolgozó Francisco Gonzalez részletezte tegnapi sajtótájékoztatóján az Amerikai Fizikai Társaság Atomfizikai Részlegének (American Physical Society Division of Nuclear Physics) őszi találkozóján. Ez az elrendezés az úgynevezett Halbach-tömb konfiguráció, ami lehetőség ad rá, hogy a mágneses fluxus az egyik oldalon megszűnjön, a másik oldalon pedig felerősödjön. A kutató azt is hozzátette, hogy lényeges szempont volt a mágnesek minél sűrűbb elrendezése is, hogy a neutronok ne tudjanak kiszabadulni a csapdából.

A mágnesek által lebegtetett részecskéket végül 30-90 perc elteltével megszámlálták, méghozzá az eddigiektől eltérő módon a tárolóba leengedett detektorral, ami segített a nagyobb pontosság elérésében, mivel így nem kellett tartani a detektorig való szállítás közben bekövetkező neutronveszteségtől. Ezzel a módszerrel két év alatt összesen több mint 38 millió neutronon sikerült megfigyeléseket végezni.

De miért is ilyen fontos a neutronok élettartamának kérdése?

Az egyik terület, ahol lényeges szempont lehet a minél precízebb mérés, az univerzum kezdetének kutatása: a neutronok bomlásának hossza képet adhat a legkorábbi idők építőelemeinek létrejöttéről is, a hidrogén, a hélium és más könnyű elemek mennyiségéről közvetlenül az ősrobbanás utáni percekben. A másik terület, ahol sokat számíthat akár a néhány másodperces mérési különbség is, az a szubatomi részecskék élettartamának vizsgálata, ha ugyanis sikerül a neutron esetében pontos értékeket meghatározni, akkor talán más elemekkel kapcsolatban is fel lehet használni a módszereket és így az új fizika felé vezető úton lényeges állomásokat jelentő vizsgálatok is egyre precízebbé válhatnak.

"Ezek a tesztek kifürkészhetik a Standard Modellen túli interakciók létezését a 10 TeV-nél magasabb energiaskálákon, amelyek az ütköztetőkben zajló méréseket kikerülik."

- írják a kutatók a tanulmányban.

Az eredmények ezenkívül annak megállapításához is közelebb hozhatják a tudósokat, hogy vajon a kvarkok bomlásával kapcsolatos, a Standard Modell alapvető részét képező Cabibbo-Kobajasi-Maszkava mátrix tétele érvényes-e. Gonzalez elmondása szerint a mérések még további finomítása és a precízió fejlesztése az elkövetkező időkben is a tervek között szerepel, a kutató által végzett legújabb kísérletek, amelyeknek első adatai még csak két napja érkeztek be, még közelebb hozhatják a neutronok viselkedésének és jellemzőinek megértéséhez a tudósokat.

A mérések pedig máshol is zajlanak, néha egészen valószínűtlen helyeken is, például a Hold körül keringő műholdakon. Egy szintén tegnap publikált tanulmány arról számol be, hogy a NASA Lunar Prospector missziójának Neutron Spekrometeréből származó adatok elemzésével az űrbeli szabad állapotú neutronok bomlásának idejét sikerült meghatározni: ez alapján a neutronok élettartama 887±14 másodperc. A másfél évig tartó misszió ugyan már régen befejeződött, mikor 1999 július 31-én a szonda (szándékosan) a Hold Shoemaker kráterébe csapódott, de addig is a fedélzetén utazó neutron spektrométer érdekes felfedezéseket tett, az általa detektált hidrogén jelenléte szolgáltatta az első bizonyítékot arra, hogy az égitest pólusainál jelentős mennyiségű vízjég rejtőzik.

(Fotó: APS/Alan Stonebraker, Los Alamos National Lab/Michael Pierce, NASA/Ames, Getty Images/oselote)

További cikkek a témában:

Amit a gravitációs hullámmodell felfedett a neutroncsillagok szerkezetéről A neutroncsillagok az univerzum legrejtélyesebb csillagpusztulási folyamata után fennmaradó szélsőséges fizikájú égitestek, melyek éppen hogy csak megúszták, hogy a kétségtelenül legrejtélyesebb égitest váljon belőlük.  
Lehetséges, hogy megtalálták a részecskét, ami választ adhat a sötét anyag mibenlétére A részecskefizika már 1977-ben megjósolta az axion létezését, most pedig lehet, hogy egy olasz laboratórium kutatói meg is találták.
Project Poltergeist - mikor két fizikus atomrobbantással próbálta meg elkapni a Világegyetem szellemeit 1951-ben két atomtudós megpróbálta a lehetetlent és egy megjósolt, de egészen addig észlelhetetlennek vélt jelenség megfigyelésére vállalkozott egy húsz kilotonnás atombomba segítségével.