هنگامی که نوترون‌ها درون هسته اتمی هستند، پایدارند و می‌توانند برای مدت نامحدودی به وجود خود ادامه دهند. اما این شرایط برای نوترون‌های آزاد صادق نیست. این ذرات در حالت آزاد حدود ۱۵ دقیقه پس از ایجاد، دچار فروپاشی می‌شوند. با این حال، مدت زمان زندگی نوترون‌ها همچنان یک معما برای دانشمندان باقی مانده است.
علت این موضوع این است که وقتی عمر متوسط نوترون‌های آزاد با دو روش مختلف اندازه‌گیری می‌شود، نتایج متفاوتی به دست می‌آید. این مسئله گیج‌کننده است، زیرا انتظار می‌رود ذره‌ای مانند نوترون تنها یک عمر ثابت و مشخص داشته باشد.
طبق گفته بنجامین کوچ، محقق دانشگاه فنی وین (TU Wien):
اندازه‌گیری عمر متوسط نوترون‌های آزاد به طرز شگفت‌آوری دشوار است. برای تقریباً سی سال، فیزیکدانان از نتایج متناقض در این زمینه گیج شده‌اند.
در مطالعه جدید خود، کوچ و همکارش فلیکس هومل فرضیه‌ای ارائه می‌دهند که می‌تواند تمامی سردرگمی‌ها در مورد عمر متوسط متناقض نوترون‌ها را برطرف کند.
مسئله اختلاف در روش‌های اندازه‌گیری عمر نوترون
هنگامی که نوترون‌ها آزاد می‌شوند، در عرض چند دقیقه، دچار فروپاشی شده و به الکترون، پروتون یا پادنوترینو تبدیل می‌شوند. اولین روشی که دانشمندان عموماً برای اندازه‌گیری طول عمر نوترون‌های آزاد قبل از فروپاشی استفاده می‌کنند، استفاده از پرتو نوترونی است.
کوچ توضیح می‌دهد:
نوترون‌های آزاد در طول واپاشی رادیواکتیو در راکتور تولید می‌شوند. این نوترون‌های آزاد را می‌توان سپس به یک پرتو نوترونی هدایت کرد تا بتوان آنها را دقیقاً اندازه‌گیری کرد.
دانشمندان تعداد نوترون ها را قبل از آزمایش می شمارند و سپس آن را با تعداد پروتون های تشکیل شده در نتیجه تجزیه مقایسه می کنند. با استفاده از این مقادیر، میانگین زمان ماندگاری نوترون ها در پرتو نوترونی را محاسبه می کنند.
در روش دوم، نوترون‌های آزاد در یک ظرف (یا بطری) طراحی‌شده مخصوص که نمی‌توانند از آن فرار کنند، به دام می‌افتند. دانشمندان تعداد نوترون‌هایی را که در طول زمان در بطری باقی می‌مانند نظارت کرده و مدت زمان آن را اندازه‌گیری می‌کنند تا زمانی که تعداد معینی از بین برود. این روش به آنها اجازه می‌دهد میانگین طول عمر نوترون‌ها را در زمانی که آنها در آن قرار دارند محاسبه کنند.
کوچ و همکارانش میانگین طول عمر نوترون ها را با استفاده از هر دو روش پرتو و بطری اندازه گیری کردند. یافته‌های آنها نشان داد که نوترون‌های پرتوی نوترونی حدود هشت ثانیه بیشتر از نوترون‌های موجود در یک بطری زندگی می‌کنند.
کوچ افزود:
با میانگین طول عمر کمتر از 900 ثانیه (15 دقیقه)، این تفاوت قابل توجهی است – بسیار بزرگتر از آن است که صرفاً با عدم دقت اندازه گیری توضیح داده شود.
فرضیه “حالت‌های مختلف”
به گفته نویسندگان این مطالعه، نوترون های آزاد رازی دارند که باعث می‌شود طول عمر متفاوتی داشته باشند. این ذرات در نتیجه فروپاشی رادیواکتیو تشکیل می‌شوند و ممکن است همه آنها در یک شرایط شروع نشوند.
برخی از نوترون‌ها در ابتدا دارای انرژی بالایی هستند و آنها را در حالت برانگیخته قرار می‌دهند. برعکس، نوترون‌های دیگر در حالت پایه شروع می‌شوند. با این حال، در نهایت، تمام نوترون‌ها انرژی خود را از دست می‌دهند و وارد حالت پایه می‌شوند.
کوچ با یک مثال توضیح می‌دهد:
شما می‌توانید آن را مانند یک حمام پر از حباب را در نظر بگیرید. اگر انرژی اضافه کرده و مقدار حباب‌ها را بیشتر کنم، کف زیادی ایجاد می‌شود. می‌توان گفت که حمام حباب را در حالت هیجان زده قرار داده‌ام. اما اگر منتظر بمانم، حباب‌ها می ترکند و حمام به خودی خود به حالت اولیه خود باز می‌گردد.
در طول فرآیند پرتو نوترونی، احتمالاً بسیاری از نوترون‌ها در حالت برانگیخته هستند، در حالیکه در اندازه‌گیری بطری، از آنجایی که نوترون‌ها پس از سرد شدن به دام می‌افتند، احتمالاً در حالت پایه خود هستند. تفاوت در حالات آنها همان چیزی است که باعث می‌شود میانگین طول عمر آنها متفاوت باشد.
هومل افزود:
طبق مدل ما، احتمال فروپاشی یک نوترون به شدت به وضعیت آن بستگی دارد. به طور منطقی، این همچنین به میانگین عمر متفاوتی برای نوترون‌ها در پرتو نوترونی و در بطری نوترونی منجر می‌شود.
مدل آنها همچنین پیش‌بینی می‌کند که نوترون‌ها در حالت برانگیخته باید عمری بین پنج میلی‌ثانیه تا ۳۰۰ ثانیه داشته باشند. با این حال، این پیش‌بینی‌ها بر اساس فرضیه‌ای است که هنوز به صورت تجربی ثابت نشده است.
این مطالعه در مجله Physical Review D منتشر شده است.
منبع: Interestingengineering
