Đo đạc chính xác bậc nhất thế giới về thời gian sống của neutron
Các neutron được xếp một cách vừa vặn bên trong các nguyên tử. Chúng tồn tại khoảng hàng tỉ năm và lâu hơn nữa khi ở bên trong một số nguyên tử đã tạo ra vật chất trong vũ trụ của chúng ta. Nhưng khi các neutron tự do “bay nhảy” một mình bên ngoài một nguyên tử, chúng bắt đầu bị phân rã thành các proton và những hạt khác. Thời gian sống của chúng rất ngắn, chỉ khoảng 15 phút.
Máy dò neutron siêu lạnh hiệu suất cao được sử dụng trong một cái bẫy dạng bồn tắm. Nguồn: Los Alamos National Lab / Michael Pierce.
Các nhà vật lý đã mất hàng thập kỷ để cố gắng đo đạc thời gian sống chính xác của một hạt nhân bằng việc sử dụng hai kỹ thuật, một bao gồm những cái chai và hai là những chùm tia. Nhưng các kết quả từ hai phương pháp này đều không tương đồng với nhau: chúng chênh lệch tới 9 giây, khoảng thời gian đáng kể cho một hạt chỉ tồn tai trong vòng 15 phút.
Giờ đây, trong một nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters, một nhóm nghiên cứu đã tạo ra một phép đo đạc chính xác nhất thời gian sống của một neutron bằng kỹ thuật chai. Thực nghiệm này mang tên UCNtau (cho tau của các neutron siêu lạnh, nơi tau liên quan đến thời gian sống của neutron). Nó đã cho thấy neutron tồn tại trong vòng 14.629 phút với một độ bất định của 0,005 phút. Dù kết quả này vẫn chưa giải thích được bí ẩn tại sao hai phương pháp lại có sai số nhưng nó cũng đưa các nhà vật lý tiến gần hơn đến một câu trả lời.
“Kết quả mới này đem lại một đánh giá độc lập để giúp giải quyết bài toán thời gian sống của neutron”, Brad Filippone, giáo sư vật lý danh hiệu Francis L. Moseley và là đồng tác giả của nghiên cứu, nói. Các phương pháp này tiếp tục không tương đồng với nhau, ông giải thích, bởi vì một trong hai phương pháp này có sai sót hoặc bởi vì có điều gì đó mới đang trên trong vật lý neutron mà chúng ta còn chưa hiểu hết.
“Khi kết hợp với các phép đo chính xác khác, kết quả này có thể đem đến bằng chứng được tìm kiếm nhiều cho khám phá về vật lý mới”, ông nói.
Các kết quả có thể giúp giải quyết những bí ẩn đã tồn tại từ lâu khác như vật chất trong vũ trụ sớm của chúng ta đầu tiên kết tụ lại từ một ‘nồi súp’ nóng gồm các neutron và các hạt khác như thế nào. “Một khí chúng ta biết về thời gian sống của neutron một cách chính xác, chúng ta có thể giải thích cách hạt nhân nguyên tử được hình thành trong những phút đầu tiên của vũ trụ sớm”, Filippone.
Các thử nghiệm mù
Vào năm 2017 và 2018, nhóm nghiên cứu UCNtau đã thực hiện hai thí nghiệm chai tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (LANL). Trong phương pháp này, các neutron tự do bị bẫy trong một chai từ hóa siêu lạnh có kích thước tương đương một cái bồn tắm, nơi chúng bắt đầu phân rã thành các proton. Sử dụng dữ liệu phức tạp để phân tích các phương pháp, các nhà nghiên cứu đã có thể đếm được có bao nhiêu neutron còn lại theo thời gian (trong phương pháp chùm tia, một chùm tia neutron phân rã thành các proton, và các proton được tính không phải là các neutron).
Suốt thời gian diễn ra thực nghiệm, nhóm hợp tác UCNtau tính được 40 triệu neutron.
Để loại bỏ mọi sai lệch có thể trong các phép đo, nguyên nhân do các nhà nghiên cứu chủ ý hoặc không chủ ý dịch chuyển các kết quả cho đạt với kết quả kỳ vọng, nhóm hợp tác đã phân thành ba nhóm để làm việc theo kiểu thử nghiệm mù. Một nhóm do Caltech dẫn dắt, một do trường đại học Indiana và nhóm còn lại do LANL. Mỗi nhóm được trao một cái đồng hồ không chính xác, vì thế các nhà nghiên cứu không thể biết bao nhiêu thời gian đã trôi qua.
“Chúng tôi đã khiến đồng hồ của mình thiếu chính xác và sau đó giữ bí mật đến phút chót”, Eric Fries, đồng tác giả và là người dẫn dắt nhóm Caltech, nói. “Điều này khiến cho thực nghiệm trở nên thực tế hơn bởi vì không còn cơ hội cho sự thiên kiến một cách có ý thức hay không trong việc gắn các kết quả để khớp với thời gian tồn tại được chờ đợi của neutron”, Filippone cho biết thêm. “Do đó, chúng tôi không rõ thời gian tồn tại của nó trên thực tế cho đến khi chúng tôi hiệu chỉnh ở thời điểm cuối thử nghiệm mù”.
Bailey Slaughter, người tham gia dự án UCNtau, quan sát thí nghiệm diễn ra bên trong bẫy, hay là “chai” dùng để tính thời gian sống của các neutron. Nguồn: Chen-Yu Liua
Bẫy các neutron
Một thách thức trong nghiên cứu về các neutron tự do này chúng có thể dễ dàng gắn kết với các nguyên tử, Filippone nói. Anh lưu ý rằng các hạt nhân nguyên tử trong thực nghiệm có thể “’nuốt sống’ các neutron như trò chơi điện tử Pac-Man”. Do đó, các nhà khoa học đã phải tạo ra một chân không rất vừa vặn trong buồng để giữ các khí không mong muốn lọt vào đó.
Họ cũng phải làm chậm một cách đột ngột các neutron vì vậy có thể bẫy chúng bằng từ trường để có thể đếm được. “Chúng tôi phải làm lạnh các neutron thông qua một vài bước”, Filippone nói. “Bước quan trọng tại thời điểm quyết định là khiến cho các neutron tương tác với một khối deuterium kết đông đậm đặc [một phiên bản nặng hơn của hydro] tương đương với kích thước của một cái bánh sinh nhật, vốn là nguyên nhân khiến các neutron mất năng lượng”.
Khi các thí nghiệm đã hoàn thành và dữ liệu được thu thập, mỗi nhóm sử dụng các cách tiếp cận khác nhau để phân tích dữ liệu đó. Fries và nhóm Caltech sử dụng các phương pháp học máy để giúp tính số neutron. “Phần khó nhất là nhìn vào dữ liệu để chỉ ra và nói ‘vâng, trên thực tế đây là một neutron’”, Fries cho biết.
Khi tất cả các nhóm “mở mù” kết quả của mình, họ tìm thấy một mức phù hợp đáng ngạc nhiên. “Chúng tôi đều dùng dữ liệu này một cách khác nhau nhưng lại cùng đi đến một câu trả lời gần như tương tự nhau, với những khác biệt thấp hơn cả lỗi thống kê chung”, Fries nhận xét.
Cuối cùng, thời gian sống của neutron đã được đo đếm với độ chính xác tốt, khiến nó trở thành kết quả chính xác nhất hiện nya. Các thí nghiệm tương lai sẽ được tiến hành để tinh chỉnh các phép đo sử dụng bằng phương pháp chùm tia và cuối cùng là xác định liệu đó là các nhiễu hệ thống hay một thứ vật lý mới nằm sau bí ẩn thời gian sống của neutron không.
Bài báo mang tên “An improved neutron lifetime measurement with UCNtau” (Một đo đạc thời gian sống của neutron được cải thiện với nhóm UCNtau” 1.
Anh Vũ tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-10-physicists-world-precise-neutron-lifetime.html
——————————-
1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.162501
