Incorporé dans tous les aspects de la vie quotidienne, le neutron est une particule fondamentale de la nature. Maintenant, une collaboration de recherche dirigée par le Los Alamos National Laboratory a amélioré la précision des mesures libres à vie à la vie à neutrons. Les résultats de l'équipe mettent en évidence le succès de la conception de l'expérience UCNTAU et prévisualisent l'efficacité des nouvelles techniques et approches que l'équipe incorpore dans la prochaine génération de l'expérience.
« La durée de vie précise des neutrons libres est au centre des questions de physique encore contestées, » a déclaré Steven Clayton, physicien de Los Alamos. « Comprendre la durée de vie des neutrons peut être utilisé pour tester la nature de la force faible, l'une des forces fondamentales de l'univers, et peut également aider à rechercher la physique au-delà du modèle standard.
« Nos résultats ici valident l'approche expérimentale de l'UCNTAU et ouvrent la voie vers des améliorations de conception qui amélioreront encore notre compréhension de la physique impliquée. »
La nouvelle analyse de l'équipe, publiée dans Revue physique cintègre trois autres années de collecte de données à partir de l'expérience de l'installation Ultracold Neutron au Los Alamos Neutron Science Center, avec une précision renforcée par des améliorations de la conception systématique de l'expérience. Les résultats mettent à jour la compréhension de la durée de vie du neutron à 877,83 secondes, avec une incertitude réduite à moins de 0,3 seconde.
La conception de la baignoire offre des résultats cohérents
L'appareil expérimental de l'UCNTAU – « Neutrons ultracold » Et le tau est le symbole d'une durée de vie des particules – se révèle comme un piège magnéto-gravitationnel, ressemblant à une baignoire dont la surface concave est recouverte d'aimants et ouverte en haut. Une variation d'un « bouteille » piège, l'expérience Ucntau contraste avec le « faisceau » Approche utilisée par certaines expériences à vie à des neutrons.
Les approches ont abouti à différentes mesures de la durée de vie des neutrons, avec le « puzzle à vie à la vie à neutrons » Diviser la communauté physique autour de la possibilité qu'un défaut dans l'une ou l'autre des approches expérimentales puisse expliquer l'écart.
La baignoire d'Ucntau est remplie de neutrons ultracold ralentis cryogéniquement afin qu'ils puissent être comptés lorsqu'ils interagissent avec un détecteur abaissé dans la baignoire. Pour éviter la perte de neutrons, les aimants sur les surfaces intérieurs empêchent les neutrons de fuir à travers la surface et la gravité empêche les neutrons de se répandre sur les parois de baignoire hautes.
Les neutrons sont comptés lorsqu'un détecteur de zinc-sulfure recouvert de bore-10 descend dans la baignoire; Les neutrons sont absorbés par le revêtement de bore-10 sur le détecteur de zinc-sulfure et l'excès d'énergie provoque la rupture du noyau bore-10, avec un fragment de ping sur le zinc-sulfure et une production de lumière détectable et dénombrable.
Pour affiner la précision, l'équipe UCNTAU a mis à jour l'appareil chaque année car il a pris des données, notamment l'amélioration de la surveillance du nombre de neutrons qui sont initialement chargés dans le piège et la précision de compter les neutrons survivants dans le piège après avoir été détenu pendant un certain temps. La cohérence des données récentes avec les résultats antérieurs de l'équipe valide la conception de l'expérience. En moyenne les résultats des cinq années de course totale, l'équipe est arrivée à la nouvelle mesure de 877,83 secondes. Ce chiffre comprend une estimation d'erreur de moins de 0,3 seconde.
« Les résultats représentent la mesure la plus précise de la durée de vie des neutrons à ce jour, » Dit Clayton. « Nos objectifs ont été de mieux comprendre et quantifier les incertitudes systématiques dans l'expérience et d'améliorer la précision statistique à vie. Avec ce niveau de précision, nous avons pris la conception actuelle autant que possible. »
Ucntau + représente la prochaine génération d'expériences
Pour sa prochaine série de données, l'équipe de recherche a tourné son attention sur l'augmentation considérable de la capacité de l'appareil expérimental – une itération de l'expérience que l'équipe appelle « Ucntau +. » L'équipe modifie la méthode de remplissage du piège pour augmenter la densité des neutrons ultracold par un facteur entre 5 et 10 tout en améliorant le système de détecteur pour réduire la plus grande incertitude systématique d'un facteur de 10 – à un objectif global d'incertitude de 0,1 seconde.
L'équipe garantit la précision de comptage en développant un nouveau détecteur UCN avec un scintillateur basé sur un matériau de pérovskite qui peut être fait pour fournir une sortie lumineuse similaire mais sans le long sentier de fluorescence trouvé avec le scintillateur actuel.
Au centre de l'effort pour fournir plus de densité de neutrons est une nouvelle installation « ascenseur » Cela charge les neutrons dans la baignoire, se balançant vers l'avant et vers le bas dans le piège. Fabriqué à partir de cuivre et de téflon, utile pour refléter les neutrons afin d'éviter les fuites à travers le métal, l'ascenseur peut fournir une plus grande charge de neutrons dans le piège. Le piège a été conçu et fabriqué en collaboration avec l'Université de l'Illinois Champaign-Urbana.
« L'ascenseur lui-même était difficile à concevoir et à exécuter car il doit former un sceau en recule, et nous avions besoin de lacunes pour être raisonnable, » dit Maninder Singh, chercheur postdoctoral de Los Alamos dans l'équipe UCNTAU. « Le transport de l'ascenseur a été fait avant mais pas à cette échelle, et non avec cette géométrie, où l'ascenseur doit se déplacer autre que directement de haut en bas. La mise en œuvre de cette technique a été un défi passionnant. »
L'équipe espère apporter UCNTAU + en ligne cet été pour commencer à prendre des données.
