Bir nötronun atom çekirdeğinin dışında bozunarak protona dönüşmeden önce ne kadar uzun yaşayabileceğini artık yüzde 10’luk bir hassasiyetle biliyoruz.
Atomu oluşturan bu temel parçacıkların ömrüne yönelik bugüne dek yapılan en hassas ölçüm olan yeni çalışma, önceki ölçümlere göre iki katı aşkın bir gelişmeyi temsil ediyor. Bulgular, Büyük Patlama’dan dakikalar sonra meydana gelen proton ve nötron çorbasından evrendeki ilk maddenin nasıl çıktığını daha iyi anlamamızı sağlayabilir.
Bloomington – Indiana Üniversitesinde çalışan nükleer fizikçi Daniel Salvat şöyle aktarıyor: “Bir nötronun ‘bozunarak’ proton haline geldiği bu işlem, fizikte bilinen en büyüleyici süreçlerden birisi” diyor. Nötron bozunduğunda, hafif bir elektron ve neredeyse kütlesiz bir nötrino açığa çıkarıyor.
“Bu değerin çok hassas şekilde ölçülmesine dönük yürütülen çalışmalar büyük önem taşıyor çünkü nötronun kesin ömrünü anlamak, evrenin nasıl geliştiğine ışık tutmanın yanında var olduğunu bildiğimiz ancak şimdiye kadar kimsenin bulamadığı atom altı evren modelimizdeki kusurların keşfedilmesini de sağlayabilir.”
ABD’de yer alan Los Alamos Ulusal Bilim Merkezi’nde yürütülen araştırma için, yalnızca nötronların ömürlerini ölçmeye dönük özel bir deney tasarlanmış. UCNtau projesi şeklinde adlandırılan çalışmada, manyetik-kütleçekimsel bir kapanda tutulan ultra soğuk nötronlar (UCN) kullanılmış.
Neredeyse mutlak sıfır noktasına kadar soğutulan nötronlar, kendilerini bir vakum kabında havada tutan binlerce sabit mıknatısla çevrili çanak biçimindeki bir odada hapsedilmiş.
Nötronlardaki kutuplaşmayı koruyan manyetik alan, yer çekiminin yardımıyla nötronların kaçmasını önlüyor. Tasarım, nötronların 11 güne kadar saklanmasına olanak sağlıyor.
Nötronlarını UCNtau kapanında 30 ila 90 dakika tutan araştırmacılar, ayrılan sürenin ardından kalan parçacıkların miktarını belirlemiş. 2017 ve 2019 arasında tekrarlı şekilde yürütülen deneylerde 40 milyonu aşkın nötron sayılmış ve böylece, parçacıkların ömrünü şimdiye kadarki en yüksek kesinlikte belirleyecek kadar istatistiki veri toplanmış.
Araştırmacıların analizi, bir nötronun ömrünün 877,75 ± 0,28 saniye (14 dakika 38 saniye) olduğunu gösteriyor. Yapılan bu gelişmiş ölçüm, normal ve karanlık maddenin oluşumu da dahil olmak üzere evrene önemli fiziksel sınırlar konulmasına yardımcı olabilir.
Büyük Patlama’nın ardından, olaylar nispeten hızlı gelişmiş. En başlarda evreni dolduran sıcak ve ultra yoğun madde, soğuyarak kuarklara ve elektronlara dönüşmüş. Saniyenin milyonlarca biri kadar sonra ise kuarklar birleşerek protonlara ve nötronlara dönüşmüş.
Nötronun ömrünün bilinmesi, bozunan nötronların karanlık madde şeklinde bilinen gizemli kütlede oynadığı rolü (eğer varsa) anlamaya yardımcı olabilir. Söz konusu bilgi, kuarkların Standart Fizik Modeli’ndeki davranışını açıklamaya yardımcı olan Cabibbo-Kobayaşi-Maskava matrisinin geçerliliğini test etmeye de yardımcı olabilir.
“Nötron bozunmasını açıklayan model, kuark kimliklerinin değişimini gerektiriyor fakat yakın zaman önce geliştirilen hesaplamalar, bu sürecin daha önce tahmin edildiği gibi gerçekleşmiyor olabileceğini akla getiriyor” diyor Salvat.
“Nötronun ömrüne yönelik yaptığımız yeni ölçüm, konunun karara bağlanması için bağımsız bir değerlendirme sunuyor veya yeni fizik kurallarının keşfedilmesinde uzun zamandır aranan bulgular sağlıyor.”
Çalışma Physical Review Letters bülteninde yayımlandı.
Yazar: Michelle Starr/ScienceAlert. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
