تکنولوژی
رمز و راز طول عمر نوترون ممکن است اکنون در 'حالت برانگیخته' راه حلی پیدا کند
نوترون‌ها وقتی درون هسته اتمی هستند، پایدارند، اما نوترون‌های آزاد در مدت تقریباً ۱۵ دقیقه decay می‌شوند و طول عمر دقیق آنها برای دانشمندان به معما تبدیل شده است. دو روش مختلف اندازه‌گیری نتایج متفاوتی در مورد طول عمر نوترون‌های آزاد ارائه داده‌اند. فرضیه‌ای توسط محققان ارائه شده که احتمالاً می‌تواند تمام سردرگمی را در مورد این نتایج متضاد برطرف کند. تفاوت در طول عمر نوترون‌ها می‌تواند به دلیل قرار داشتن در حالت‌های انرژی مختلف باشد.
وقتی که نوترون‌ها درون هسته اتمی هستند، پایدارند و می‌توانند به مدت نامحدودی وجود داشته باشند. با این حال، این موضوع درباره نوترون‌های آزاد صدق نمی‌کند. گرچه آنها در حدود ۱۵ دقیقه decay می‌شوند، اما طول عمر آنها برای دانشمندان به معما تبدیل شده است. این به این دلیل است که وقتی طول عمر متوسط آنها به دو روش مختلف اندازه‌گیری می‌شود، نتایج نیز متفاوت است. این موضوع گیج‌کننده است زیرا یک ذره باید طول عمر واحد و ثابتی داشته باشد. "اندازه‌گیری طول عمر متوسط نوترون‌های آزاد به طرز شگفت‌آوری دشوار است. به مدت تقریباً سی سال، فیزیکدانان با نتایج متناقض در این زمینه سردرگم شده‌اند،" بنجامین کوچ، یک محقق در دانشگاه فنی وین (TU Wien)، گفت. در مطالعه جدیدشان، کوچ و همکارش فلیکس هامِل فرضیه‌ای ارائه می‌دهند که می‌تواند تمام سردرگمی‌ها را در مورد طول عمر متناقض نوترون‌ها برطرف کند. مشکل طول عمر اشعه و بطری وقتی نوترون‌ها آزاد هستند، در عرض چند دقیقه decay می‌شوند و به پروتون، الکترون یا آنتی‌نترینو تبدیل می‌شوند. اولین روشی که دانشمندان به‌طور کلی برای اندازه‌گیری طول عمر نوترون‌های آزاد قبل از decay استفاده می‌کنند، استفاده از یک اشعه نوترونی است. "نوترون‌های آزاد در طول decay رادیو اکتیو در رآکتور تولید می‌شوند. این نوترون‌های آزاد می‌توانند به یک اشعه نوترونی هدایت شوند که در آن می‌توان دقیقاً اندازه‌گیری کرد،" کوش توضیح داد. دانشمندان تعداد نوترون‌ها را قبل از آزمایش می‌شمارند و سپس آن را با تعداد پروتون‌هایی که به‌عنوان نتیجه decay حاصل می‌شود، مقایسه می‌کنند. با استفاده از این مقادیر، آنها زمان متوسط برای اینکه نوترون‌ها در اشعه نوترونی دوام بیاورند، محاسبه می‌کنند. در روش دوم، نوترون‌های آزاد در یک مخزن ویژه طراحی‌شده (یا بطری) محبوس می‌شوند که نمی‌توانند فرار کنند. دانشمندان نظارت می‌کنند که چه تعداد از نوترون‌ها با گذشت زمان در بطری باقی می‌مانند و مدت زمانی که طول می‌کشد تا تعداد معینی decay شوند را اندازه‌گیری می‌کنند - به آنها اجازه می‌دهد طول عمر متوسط نوترون‌ها را در حالی که محبوس هستند، محاسبه کنند. کوچ و همکارانش طول عمر متوسط نوترون‌ها را با استفاده از هر دو روش اشعه و بطری اندازه‌گیری کردند. یافته‌های آنها نشان داد که "نوترون‌های اشعه نوترونی حدود هشت ثانیه بیشتر از نوترون‌های در بطری دوام می‌آورند." "با طول عمر متوسط کمتر از ۹۰۰ ثانیه (۱۵ دقیقه)، این تفاوت قابل توجه است - خیلی بزرگ‌تر از آنچه که بتوان صرفاً با عدم دقت اندازه‌گیری توضیح داد،" کوچ افزود. فرضیه "حالت‌های مختلف" طبق گفته نویسندگان مطالعه، نوترون‌های آزاد یک راز دارند که باعث می‌شود طول عمرهای مختلفی داشته باشند. این ذرات به‌عنوان نتیجه decay رادیواکتیو تشکیل می‌شوند، و ممکن است که همگی در یک حالت یکسان شروع نشوند. برخی از نوترون‌ها در ابتدا انرژی بالایی دارند و در حالت برانگیخته قرار می‌گیرند. برعکس، دیگر نوترون‌ها در حالت پایه شروع می‌کنند. اما سرانجام، همه نوترون‌ها انرژی خود را از دست می‌دهند و وارد حالت پایه می‌شوند. "می‌توانید آن را به‌مانند یک حمام حباب در نظر بگیرید. اگر انرژی اضافه کنم و آن را بالا بیاورم، مقدار زیادی کف تولید می‌شود - می‌توانید بگویید که من حمام حباب را در حالت برانگیخته قرار داده‌ام. اما اگر صبر کنم، حباب‌ها ترکیده و حمام خودبه‌خود به حالت اصلی خود برمی‌گردد،" فلیکس هامِل، هم‌نویسنده مطالعه و دانشمند دانشگاه فنی وین، توضیح داد. در طول فرآیند اشعه نوترونی، ممکن است بسیاری از نوترون‌ها در حالت برانگیخته قرار داشته باشند، در حالی‌که در اندازه‌گیری بطری، از آنجایی که نوترون‌ها پس از سرد شدن به دام افتاده‌اند، احتمالاً در حالت پایه خود هستند. تفاوت در حالت‌های آنها است که باعث می‌شود طول عمرهای متوسط متفاوتی داشته باشند. "به‌طور منطقی، این همچنین به طول عمرهای متوسط متفاوتی برای نوترون‌ها در اشعه نوترونی و نوترون‌ها در بطری نوترونی منجر می‌شود،" هامِل افزود. مدل آنها همچنین پیش‌بینی می‌کند که در حالت برانگیخته، نوترون‌ها باید طول عمرهایی بین پنج میلی‌ثانیه تا ۳۰۰ ثانیه داشته باشند. با این‌حال، این پیش‌بینی‌ها بر اساس فرضیه‌ای است که هنوز به‌صورت تجربی اثبات نشده است. مطالعه در مجله Physical Review D منتشر شده است.
