Fisikawan menghadapi misteri masa hidup neutron

Untuk memecahkan misteri lama tentang berapa lama neutron dapat “hidup” di luar inti atom, fisikawan telah menemukan teori liar tetapi dapat diuji yang mendalilkan keberadaan versi tangan kanan dari alam semesta tangan kiri kita. Mereka merancang eksperimen yang menarik di Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Energi untuk mencoba mendeteksi partikel yang telah berspekulasi tetapi tidak ditemukan. Jika ditemukan, ‘mirror neutron’ yang berteori – kembaran materi gelap dari neutron – dapat menjelaskan perbedaan antara jawaban dari dua jenis eksperimen seumur hidup neutron dan memberikan pengamatan pertama materi gelap.

“Materi gelap tetap menjadi salah satu pertanyaan paling penting dan penuh teka-teki dalam sains – bukti nyata bahwa kita tidak memahami semua materi di alam,” kata Leah Broussard dari ORNL, yang memimpin penelitian yang diterbitkan dalam Surat Verifikasi Fisik.

Neutron dan proton membentuk inti atom. Namun, mereka juga bisa ada di luar inti. Tahun lalu, dengan bantuan Los Alamos Neutron Science Center, rekan penulis Frank Gonzalez, sekarang di ORNL, memimpin pengukuran paling akurat yang pernah ada berapa lama neutron bebas hidup sebelum meluruh atau berubah menjadi proton, elektron, dan antineutrino. Jawabannya – 877,8 detik plus atau minus 0,3 detik, atau sedikit kurang dari 15 menit – menunjukkan celah dalam Model Standar fisika partikel. Model ini menggambarkan perilaku partikel subatomik, seperti tiga quark yang membentuk neutron. Pembalikan quark memulai peluruhan neutron menjadi proton.

“Masa hidup neutron merupakan parameter penting dalam Model Standar karena digunakan sebagai masukan untuk menghitung matriks pencampuran quark, yang menggambarkan tingkat peluruhan quark,” kata Gonzalez, yang menghitung probabilitas neutron akan berosilasi untuk studi ORNL. “Jika quark tidak bercampur seperti yang kita harapkan, itu menunjuk ke fisika baru di luar Model Standar.”

Untuk mengukur masa hidup neutron bebas, para ilmuwan mengambil dua pendekatan yang seharusnya mengarah pada jawaban yang sama. Anda menjebak neutron dalam botol magnet dan menghitung hilangnya mereka. Yang lain menghitung proton yang muncul dalam berkas ketika neutron meluruh. Ternyata neutron hidup sembilan detik lebih lama di balok daripada di botol.

Selama bertahun-tahun, fisikawan yang bingung telah mempertimbangkan banyak alasan untuk perbedaan tersebut. Satu teori mengatakan bahwa neutron berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain dan kembali lagi. “Osilasi adalah fenomena mekanika kuantum,” kata Broussard. “Jika neutron dapat eksis sebagai neutron normal atau neutron cermin, maka Anda bisa mendapatkan osilasi semacam ini, ayunan bolak-balik antara dua keadaan, selama transisi itu tidak dilarang.”

Tim yang dipimpin ORNL melakukan pencarian pertama untuk neutron yang berayun masuk Materi gelap Cerminkan neutron dengan teknik penghilangan dan regenerasi baru. Neutron diproduksi di Spallation Neutron Source, fasilitas pengguna dari DOE Office of Science. Seberkas neutron diarahkan ke reflektometer magnetisme SNS. Michael Fitzsimmons, fisikawan dengan panggilan gabungan di ORNL dan Universitas Tennessee, Knoxville, menggunakan instrumen untuk menerapkan medan magnet yang kuat untuk memperkuat osilasi antara keadaan neutron. Kemudian sinar itu menabrak “dinding” boron karbida, yang merupakan penyerap neutron yang kuat.

Jika neutron memang berosilasi antara keadaan biasa dan cermin, ketika keadaan neutron mengenai dinding, ia akan berinteraksi dengan inti atom dan diserap oleh dinding. Namun, ketika dalam keadaan neutron cermin berteori, itu adalah materi gelap, yang tidak akan berinteraksi.

Jadi hanya neutron cermin yang bisa menembus dinding ke sisi lain. Seolah-olah neutron melewati “portal” ke sektor gelap – sebuah konsep kiasan yang digunakan dalam komunitas fisika. Tetapi pers yang meliput pekerjaan sebelumnya menikmati kebebasan dengan konsep tersebut, membandingkan dunia cermin berteori yang sedang dijelajahi tim Broussard dengan realitas alternatif “Upside Down” dalam serial TV Stranger Things . Eksperimen tim tidak menjelajahi portal literal ke alam semesta paralel.

“Dinamikanya sama di sisi lain dinding, di mana kami mencoba untuk mendapatkan apa yang diyakini sebagai neutron cermin – keadaan kembar materi gelap – untuk berubah kembali menjadi neutron biasa,” kata rekan penulis Yuri Kamyshkov, seorang Fisikawan UT yang telah lama mengejar ide-ide osilasi neutron dan neutron cermin dengan rekan-rekannya. “Jika kita melihat neutron yang diregenerasi, itu bisa menjadi sinyal bahwa kita telah melihat sesuatu yang sangat eksotis. Menemukan sifat partikel materi gelap akan memiliki implikasi yang sangat besar.”

Matthew Frost dari ORNL, yang meraih gelar PhD di UT bekerja sama dengan Kamyshkov, melakukan eksperimen dengan Broussard dan membantu ekstraksi, reduksi, dan analisis data. Frost dan Broussard melakukan percobaan pendahuluan dengan bantuan Lisa DeBeer-Schmitt, seorang ilmuwan hamburan neutron di ORNL.

Lawrence Heilbronn, seorang insinyur nuklir di UT, mengkarakterisasi latar belakang, sementara Erik Iverson, seorang fisikawan di ORNL, mengkarakterisasi sinyal neutron. Melalui Program Magang Laboratorium Sarjana Ilmiah Kantor DOE, Michael Kline dari Ohio State University menemukan cara menghitung osilasi menggunakan unit pemrosesan grafik – akselerator jenis perhitungan tertentu dalam kode aplikasi – dan melakukan analisis independen terhadap intensitas dan statistik berkas neutron, dan Taylor Dennis dari East Tennessee State University membantu menyiapkan eksperimen dan menganalisis data latar belakang dan menjadi finalis dalam kompetisi untuk karya ini. Mahasiswa UT Josh Barrow, James Ternullo, dan Shaun Vavra bersama mahasiswa Adam Johnston, Peter Lewiz, dan Christopher Matteson berkontribusi pada berbagai tahap persiapan dan analisis eksperimen. Mahasiswa pascasarjana Universitas Chicago Louis Varriano, mantan pembawa obor UT, membantu perhitungan mekanika kuantum konseptual dari regenerasi neutron cermin.

Kesimpulannya: tidak ada tanda-tanda regenerasi neutron yang terlihat. “Seratus persen neutron dihentikan, nol persen menembus dinding,” kata Broussard. Bagaimanapun, hasilnya tetap penting untuk memajukan pengetahuan di lapangan.

Setelah satu teori materi cermin tertentu dibantah, para ilmuwan beralih ke yang lain untuk mencoba dan memecahkan misteri masa hidup neutron. “Kami akan terus menyelidiki alasan perbedaan itu,” kata Broussard. Dia dan rekan-rekannya akan menggunakan Reaktor Isotop Fluks Tinggi, fasilitas pengguna dari Kantor Sains DOE di ORNL. Peningkatan berkelanjutan pada HFIR akan memungkinkan pencarian yang lebih sensitif karena reaktor akan menghasilkan fluks neutron yang jauh lebih tinggi dan detektor terlindung pada difraktometer hamburan neutron sudut kecilnya akan memiliki latar belakang yang lebih rendah.

Karena eksperimen yang ketat tidak menemukan bukti neutron cermin, fisikawan dapat mengesampingkan teori yang dibuat-buat. Dan itu membawa mereka lebih dekat untuk memecahkan misteri.

Jika terlihat menyedihkan bahwa neutron Teka-teki hidup tetap belum terpecahkan, kenyamanan dengan Broussard: “Fisika itu sulit karena kita telah melakukan pekerjaan yang terlalu bagus di dalamnya. Hanya masalah yang sangat sulit—dan penemuan yang membahagiakan—yang tersisa.”