磁力疏水阀提供中子寿命的精确测量

贸发会议'瓶子陷阱。磁场和重力的​​组合防止中子逸出容器。洛杉矶阿拉莫斯国家实验室

由印第安纳大学探索能源和物质探索的物理学家的一项研究可以在大爆炸后立即对宇宙的组成提供新的洞察力 - 以及改善用于预测星星的生命跨度的计算和描述管辖解封世界的规则。

11月11日发布的研究在“科学”期刊上，报告了一种高度准确的方法来衡量中子的衰减率。研究中的作者陈宇刘是IU Bloomington艺术与科学系的教授。

“与以前的实验相比，这是一个重要的改善，”刘是贸易实验的领导者，它使用来自洛杉矶阿拉莫斯国家实验室的Los Alamos中子科学中心Ultracold中子来源中的中子。“数据比以前所拥有的更准确。”

中子衰变的速度 - 没有充电的亚基颗粒 - 是显着的，因为它用于预测大爆炸后几分钟后才能预测宇宙中的氢和氦的比例。该数量还会影响用于确定氢原子燃烧速度的速度的速度和控制基本粒子等夸克和胶水等规则的计算。这与中子衰减涉及将一个“向上”夸克的转变为“向下”夸克，这是物理学家尚未完全理解的过程。

科学家目前使用两种方法来隔离中子并计算衰减率：

“瓶子”方法：计数在容器内捕获后保持随时间的中子的数量。“梁”方法：测量由核反应堆产生的中子束出现的质子率。

一些物理学家将光束方法视为更准确的，因为瓶子方法风险被误用中的中子被吸收到容器中，从衰减中消失。但刘和同事的研究采用了一种由磁场和重力制成的看不见的容器，以消除物理材料干扰的风险。结果，实验可以通过高精度测量中子寿命。

“中子可以在技术上生活在我们的陷阱里三周，这比任何其他以前构造的'瓶子陷阱长得多，”刘说。“这种长陷阱寿命是可以实现高度准确的测量的原因。”

使用“磁性重力陷阱”，其中中子磁性电荷和质量阻止它们逸出其容器，也使得更容易测量中子，因为瓶子是“盖子”，刘说。

刘的实验室于2011年加入了贸发实验，帮助重新启动该项目。这项工作需要五年来设计，制造，测试和安装其在LOS Alamos中的中子源上的设备，之后，团队开始运行实验并收集数据。刘立实验室成员经常前往新墨西哥州来测试设备，运行实验并记录结果。

“五年来获得实验运行，生产数据在我们的领域非常快，”刘说。“我们在现场花了大约六个月，每年创造硬件六个月。这真的是一个快速原型和改进的循环。无需在IU中心探索能源和物质的探索，我们从来没有能够在没有机械和技术支持的情况下进行翻新技术。“

纸上的其他IU作者是博士学位。学生Nathan Callahan，Evan Adamek和Daniel J. Salvat;机械工程师沃尔特福克斯;和技术人员John Vanderwerp。其他IU贡献者是Gerard Visser，电气工程师;弗兰克冈萨雷斯，研究生;和克里斯人，在研究时的本科生。

附加的作者来自洛杉矶阿拉莫斯国家实验室，北卡罗来纳州立大学，奥克岭国家实验室，弗吉尼亚理工学院，西点军学院，加州工学院，田纳西州技术大学，Depauw大学，华盛顿大学，劳托 - Langevin在法国和俄罗斯核研究中的联合研究所。该研究部分受到国家科学基金会，能源部和IU中心的支持级别的支持。

出版物：R. W. Pattie Jr.等，“使用磁力 - 重力陷阱的中子寿命和原位检测来测量”中子寿命，“科学，2018年5月11日：卷。 360，第6389号，第627-632页; DOI：10.1126 / science.aan8895