물리학자들은 중성자 수명 퍼즐에 직면합니다.

물리학자들은 중성자 수명 퍼즐에 직면합니다.
날짜:
2022년 6월 28일
원천:
DOE/오크리지 국립연구소
요약:
중성자가 원자핵 밖에서 얼마나 오래 '살 수 있는지'에 대한 오랜 수수께끼를 풀기 위해 물리학자들은 왼손잡이 우주의 오른손잡이 버전의 존재를 상정하는 거칠지만 검증 가능한 이론을 받아들였습니다. 그들은 추측되었지만 발견되지 않은 입자를 탐지하기 위해 정신을 가다듬는 실험을 설계했습니다. 만약 발견된다면, 이론화된 '거울 중성자'(중성자와 암흑물질 쌍)는 두 가지 유형의 중성자 수명 실험에서 얻은 답 사이의 불일치를 설명하고 암흑 물질에 대한 최초의 관찰을 제공할 수 있습니다.

중성자가 원자핵 밖에서 얼마나 오래 "살 수 있는지"에 대한 오랜 수수께끼를 풀기 위해 물리학자들은 왼손잡이 우주의 오른손잡이 버전의 존재를 상정하는 거칠지만 검증 가능한 이론을 받아들였습니다. 그들은 추측되었지만 발견되지 않은 입자를 탐지하기 위해 에너지부의 Oak Ridge 국립 연구소에서 놀라운 실험을 설계했습니다. 발견된다면, 이론화된 "거울 중성자"(중성자와 암흑물질 쌍)는 두 가지 유형의 중성자 수명 실험에서 얻은 답변의 불일치를 설명하고 암흑 물질의 첫 번째 관찰을 제공할 수 있습니다.

"암흑 물질은 과학에서 가장 중요하고 수수께끼 같은 질문 중 하나로 남아 있습니다. 우리가 자연의 모든 물질을 이해하지 못한다는 분명한 증거입니다."라고 Physical Review Letters 에 발표된 연구를 주도한 ORNL의 Leah Broussard가 말했습니다 .

중성자와 양성자는 원자의 핵을 구성합니다. 그러나 핵 외부에도 존재할 수 있습니다. 작년에 공동 저자인 Frank Gonzalez(현재 ORNL)는 Los Alamos Neutron Science Center를 사용하여 자유 중성자가 붕괴하거나 양성자, 전자 및 반중성미자로 변하기 전에 얼마나 오래 살았는지에 대한 가장 정확한 측정을 주도했습니다. 정답은 877.8초, 0.3초 또는 15분 미만으로 입자 물리학의 표준 모델에 균열이 있음을 암시합니다. 그 모델은 중성자를 구성하는 세 개의 쿼크와 같은 아원자 입자의 거동을 설명합니다. 쿼크를 뒤집으면 중성자가 양성자로 붕괴됩니다.

"중성자 수명은 쿼크 붕괴율을 설명하는 쿼크 혼합 매트릭스를 계산하기 위한 입력으로 사용되기 때문에 표준 모델에서 중요한 매개변수입니다."라고 ORNL 연구를 위해 진동하는 중성자의 확률을 계산한 Gonzalez가 말했습니다. "쿼크가 우리가 예상한 대로 섞이지 않는다면, 이는 표준 모델을 넘어선 새로운 물리학에 대한 암시입니다."

자유 중성자의 수명을 측정하기 위해 과학자들은 동일한 답에 도달해야 하는 두 가지 접근 방식을 취합니다. 하나는 자기 병에 중성자를 가두고 사라지는 것을 계산합니다. 다른 하나는 중성자가 붕괴할 때 빔에 나타나는 양성자를 계산합니다. 중성자는 병보다 빔에서 9초 더 오래 사는 것으로 나타났습니다.

수년에 걸쳐 당혹스러운 물리학자들은 불일치에 대한 많은 이유를 고려했습니다. 한 이론은 중성자가 한 상태에서 다른 상태로 변했다가 다시 되돌아온다는 것입니다. "진동은 양자 역학 현상입니다."라고 Broussard는 말했습니다. "중성자가 일반 또는 거울 중성자로 존재할 수 있다면 전환이 금지되지 않는 한 두 상태 사이에서 앞뒤로 흔들리는 이러한 종류의 진동을 얻을 수 있습니다."

ORNL이 이끄는 팀은 새로운 소멸 및 재생 기술을 사용하여 암흑 물질 거울 중성자로 진동하는 중성자를 처음으로 검색했습니다. 중성자는 DOE Office of Science 사용자 시설인 Spallation Neutron Source에서 만들어졌습니다. 중성자 빔을 SNS 자기반사계로 유도했다. ORNL과 테네시 대학 녹스빌에 공동 임명된 물리학자인 Michael Fitzsimmons는 중성자 상태 사이의 진동을 강화하기 위해 강력한 자기장을 적용하기 위해 이 기기를 사용했습니다. 그런 다음 빔은 강력한 중성자 흡수제인 탄화붕소로 만들어진 "벽"에 충돌합니다.

중성자가 실제로 일반 상태와 거울 상태 사이에서 진동한다면 중성자 상태가 벽에 부딪힐 때 원자핵과 상호 작용하여 벽에 흡수됩니다. 그러나 이론화 된 거울 중성자 상태에 있다면 상호 작용하지 않는 암흑 물질입니다.

따라서 거울 중성자만이 벽을 통해 반대편으로 통과할 수 있습니다. 중성자가 물리학 커뮤니티에서 사용되는 비유적인 개념인 일부 암흑 섹터로 가는 "포탈"을 통과한 것과 같습니다. 그러나 과거 관련 작업에 대한 언론 보도는 Broussard 팀이 탐구하고 있는 이론화된 거울 우주를 TV 시리즈 "기묘한 이야기"의 "거꾸로 된" 대체 현실과 비교하면서 개념을 자유로이 받아들이는 재미를 가졌습니다. 팀의 실험은 평행 우주에 대한 문자 그대로의 포털을 탐색하는 것이 아니었습니다.

공동 저자인 유리 카미시코프(Yuri Kamyshkov)는 "역학은 벽 반대편에서도 동일합니다. 여기서 우리는 거울 중성자로 추정되는 암흑물질 쌍정 상태를 유도하여 일반 중성자로 되돌리려고 합니다."라고 말했습니다. 동료들과 함께 중성자 진동과 거울 중성자에 대한 아이디어를 오랫동안 추구해 온 UT 물리학자. "만약 우리가 재생된 중성자를 본다면 그것은 우리가 정말로 이상한 것을 보았다는 신호일 수 있습니다. 암흑 물질의 입자 성질의 발견은 엄청난 의미를 가질 것입니다."

Kamyshkov와 함께 UT에서 박사 학위를 받은 ORNL의 Matthew Frost는 Broussard와 함께 실험을 수행하고 데이터 추출, 축소 및 분석을 지원했습니다. Frost와 Broussard는 ORNL의 중성자 산란 과학자인 Lisa DeBeer-Schmitt의 도움으로 예비 테스트를 수행했습니다.

UT의 핵공학자인 Lawrence Heilbronn은 배경을 특성화한 반면 ORNL의 물리학자인 Erik Iverson은 중성자 신호를 특성화했습니다. DOE Office of Science Scientific Undergraduate Laboratory 인턴십 프로그램을 통해 Ohio State University의 Michael Kline은 그래픽 처리 장치(응용 코드에서 특정 유형의 계산 가속기)를 사용하여 진동을 계산하는 방법을 알아냈고 중성자 빔 강도에 대한 독립적인 분석을 수행했습니다. 및 통계, 그리고 East Tennessee State University의 Taylor Dennis는 실험 설정을 돕고 배경 데이터를 분석하여 이 작업을 위한 경쟁에서 결선 진출자가 되었습니다. UT 대학원생인 Josh Barrow, James Ternullo 및 Shaun Vavra와 학부생인 Adam Johnston, Peter Lewiz와 Christopher Matteson은 실험 준비 및 분석의 다양한 단계에서 기여했습니다. 시카고 대학 대학원생인 Louis Varriano(전 UT Torchbearer)는 거울-중성자 재생의 개념적 양자 역학 계산을 도왔습니다.

결론: 중성자 재생의 증거는 보이지 않았습니다. "중성자의 100%는 정지했고 0%는 벽을 통과했습니다."라고 Broussard는 말했습니다. 그럼에도 불구하고 결과는 이 분야의 지식 발전에 여전히 중요합니다.

하나의 특정 거울 물질 이론이 폭로되자 과학자들은 중성자 수명 퍼즐을 풀기 위해 다른 이론으로 눈을 돌렸습니다. "우리는 불일치에 대한 이유를 계속 찾을 것입니다"라고 Broussard가 말했습니다. 그녀와 동료들은 이를 위해 ORNL의 DOE Office of Science 사용자 시설인 High Flux Isotope Reactor를 사용할 것입니다. HFIR에서 진행 중인 업그레이드는 원자로가 훨씬 더 많은 중성자 플럭스를 생성하고 소각 중성자 산란 회절계에서 차폐된 검출기가 더 낮은 배경을 가지기 때문에 보다 민감한 검색을 가능하게 할 것입니다.

엄격한 실험에서 거울 중성자의 증거를 찾지 못했기 때문에 물리학자들은 터무니없는 이론을 배제할 수 있었습니다. 그리고 그것은 퍼즐을 푸는 데 더 가까이 다가갑니다.

중성자 수명 문제가 해결되지 않은 채로 남아 있다는 것이 슬프다면 Broussard의 위로를 받으십시오. "물리학은 너무 잘 해왔기 때문에 어렵습니다. 정말 어려운 문제와 행운의 발견만 남았습니다."