بطری، دامی برای نوترون‌ها

مقدار ثابت ساختار ریز نظریه الكترومغناطیس را به دقتی در حدود یك در ده‌میلیون می‌دانیم. در اندازه‌گیری‌های جدید گشتاور مغناطیسی الكترون، خطا تنها در رقم دهم اعشار ظاهر می‌شود. تفاوت اندك این گشتاور با مقدار كلاسیك آن روش كارآمدی برای آزمون الكترودینامیك كوانتومی به شمار می‌رود. این را با بهترین براورد نیم عمر نوترون (سومین ذره بنیادی كشف شده) مقایسه كنید كه در حال حاضر 6ر891 ثانیه، با خطای 1ر5± ثانیه است. دقتی كه چندان بهتر از نیم درصد نیست.
این میزان خطا را نباید به حساب كم كاری آزمایشگران گذاشت. گروه‌های متعددی در سراسر جهان پیوسته مشغول اندازه‌گیری نیم‌عمر نوترون‌اند و خطای 5 ثانیه، بیش از هر چیز نشان دهنده میزان مشكلاتی است كه گروه‌های متفاوت در به دست آوردن مقادیر معقول و سازگار، با آن‌ها مواجه‌اند. مقدار جدیدی كه اخیراً مامپ و همكارانش (از فرانسه، انگلستان، و ایالات متحده امریكا) به دست آورده‌اند این مشكل را به هیچ وجه رفع نمی‌كند: براورد جدید آن‌ها s3± 6ر887 است.
این نتیجه مطمئناً با بهترین نتایج قبلی سازگار است، اگرچه خطا كم و بیش به همان میزان سابق است. اما آنچه در مورد اندازه‌گیری جدید جالب توجه است، نحوه انجام اندازه‌گیری است كه در آن از نوترون‌های فوق‌العاده سرد انبار شده استفاده می‌شود. این روش نوید دست یافتن به نتایج بهتری را در آینده می‌دهد.
نوترون وقتی كه در یك هسته پایدار، مقید نباشد به یك پروتون، یك الكترون، و یك نوترینو وامی‌پاشد. از این نظر آن را می‌توان به مثابه جلوه‌گاه اساسی واپاشی بتایی شمرد و اهمیتش در فیزیك ذرات بنیادی هم از همین بابت است. انریكوفرمی، پیش از آن كه به ایالات متحده امریكا مهاجرت كند و امكانات اولین واكنش هسته‌ای خود انگیزنده را مهیا كند، تحلیلی نظری از واپاشی بتایی ارائه كرد كه امروز هم در چارچوب نظریه متعارف برهم‌كنش ضعیف معتبر است.
فرمی پارامتر جدیدی معرفی كرد كه شدت برهم‌كنش مسؤول واپاشی بتا را، كه در آن زمان ناشناخته بود، مشخص می‌كرد. این نوع ناپایداری هسته‌ای بعدها دال بر وجود نیروی جدیدی در طبیعت دانسته شد، كه موسوم به برهم‌كنش ضعیف است. این برهم‌كنش اكنون در برهم‌كنش وحدت یافته الكتروضعیف گلاشو – سلام – واینبرگ ادغام شده است.
با وجود همه این‌ها، پارامتر یا ثبات فرمی (یا صورت اندكی تغییر یافته آن) همچنان ثابت اساسی برهم‌كنش ضعیف است، همان‌طور كه ثابت نیوتون پارامتر اصلی نظریه گرانش اینشتین است. اندازه‌گیری نیم عمر نوترون یكی از راه‌های نسبتاً ساده‌‌تری است كه برای به‌ دست آوردن مقدار این ثابت در اختیار آزمایشگران قرار دارد. (نیم عمر رادیو‌اكتیویته هسته‌ای بزرگ را می‌توان به دقت زیاد اندازه‌گیری كرد، به این ترتیب كه محصولات واپاشی در مقداری از ماده مورد نظر را شمارش كنیم. اما رابطه بین شدت برهم‌كنش ضعیف و طول عمر اندازه‌گیری شده هسته‌ها روشن نیست زیرا در اینجا دشواری‌های مسئله بس جسمی در فیزیك هسته‌ای مطرح است).
مقدار نیم عمر نوترون، علاوه بر اهمیت ذاتی آن برای فیزیك ذرات بنیادی از نظر كیهان‌شناسی هم خیلی مهم است. وقتی كه فقط یكی دو ثانیه از عمر جهان می‌گذشت، جهان از پروتون‌ها، نوترون‌ها، الكترون‌ها و تابش تشكیل می‌شد و تعداد پروتون‌ها تقریباً برابر تعداد نوترون‌ها بود.
دمای تابش در آن موقع بیشتر از آن بود كه پروتون‌ها و نوترون‌ها بتوانند به هم بچسبند و هسته دوتریم و عناصر سنگین‌تر رابه وجود بیاورند. اما پس از سه دقیقه اول، هسته‌های دوتریوم می‌توانستند دوام بیاورند و سنتز هسته‌ای می‌توانست ادامه یابد. در تقریب اول، همه نوترون‌هایی كه در عمر كیهانی سه دقیقه، موجود بودند در هسته‌های He4 جای گرفتند. اگر نوترون پایدار می‌بود (توجه كنید كه نوترون‌ها در آن زمان به فراوانی پروتون‌ها بودند) هر دو نوترون با یك جفت پروتون تركیب می‌شد و یك هسته He4 را به وجود می‌آورد و هیچ چیز اضافی هم باقی نمی‌ماند. اما نوترون‌ها ناپایدارند. تعدادشان، در لحظه‌ای كه ساعت كیهانی ثانیه 180‌ام اعلام می‌كرد، به قدری كاهش یافته بود كه فقط چیزی در حدود یك چهارم ماده خام جهان را He4 تشكیل می‌داد و مقدار زیادی هیدروژن و مقدار اندكی هم عنصرهای دیگر، برای شكل گرفتن ستارگان و كهكشان‌ها باقی مانده بود.
هیدروژن به عنوان یك سوخت هسته‌ای، خیلی قابل اشتعال‌تر از هلیوم است. عناصر سنگین‌تر، كه سیارات و ساكنان سیارات از آن‌ها ساخته شدند، نهایتاً در جریان تكامل ستاره‌ای به وجود آمدند. به این ترتیب، كم بودن دقت كنونی در اندازه‌گیری نیم عمر نوترون، به این معنی نیست كه اطلاع از آن فوریت ندارد. مشكلات كار، مشكلاتی عملی است. روش استانداردی كه در خیلی از آزمایش‌های اولیه به كار رفته عبارت است از اندازه‌گیری آهنگ گسیل الكترون از یك باریكه نوترونی شمارش الكترون‌ها كار آسانی است: ذرات باردار را می‌توان به كمك یك میدان مغناطیسی مناسب جدا كرد؛ آشكارسازها هم كارامدند. اما برای تعیین ثابت واپاشی در چنین آزمایشی، باید تعداد نوترون‌ها را هم دانست و این منشأ كم دقتی فعلی است. آشكارسازهای نوترونی خیلی كارامد نیستند و چون حركت نوترون‌ها را نمی‌توان به وسیله میدان‌های الكترومغناطیسی كنترل كرد، این ذرات می‌توانند بدون اینكه آزمایشگر متوجه شود، از باریكه خارج شوند.
در روشی كه مامپ و آژرون (از انستیتو لاؤه لانژون در گرونوبل فرانسه) و همكارانشان به كار گرفتند، از چشمه نوترون‌های فوق‌العاده سرد (با انرژی جنبشی كمتر از یك میكرو الكترون ولت) برای پركردن یك بطری نوترونی استفاده شده است. برای اندازه‌گیری نیم‌عمر، باید تعداد نوترون‌هایی را كه وارد بطری می‌شوند شمرد و مدتی بعدهم مجدداً آن‌ها را شمارش كرد. چون در هر دو اندازه‌گیری از یك آشكارساز استفاده می‌شود فقدان كارایی آشكارساز، مطرح نخواهد بود.
اما استفاده از این روش، كه با دست یافتن به چشمه‌های نوترونی فوق‌العاده سرد در یكی دوسال گذشته امكان‌پذیر شده است، به ظرافت زیاد نیاز دارد. نوترون‌ها در محفظه كوچكی، به ابعاد چند ده سانتی‌متر محصور می‌شوند. این محفظه از صفحاتی شیشه‌ای است كه با روغن چسبانك سنگینی اندود شده‌اند. روغن هم محفظه را در خلأ آب بندی می‌كند و هم بازدهش در بازتاباندن نوترون‌ها زیاد است.
آهنگ كاهش تعداد نوترون‌ها معلول دو عامل واپاشی و جذب توسط دیواره‌هاست. رقم مربوط به عامل دوم را باید تخمین زد و از كل تعداد كم كرد تا نیم عمر حقیقی به دست بیاید. به علاوه در چند هزار ثانیه‌ای كه نوترون‌ها محصورند، برخورد با دیواره‌های روغن اندود به تدریج از انرژی متوسط نوترون‌ها می‌كاهد؛ گرانش هم سبب می‌شود كه نوترون‌ها به آرامی در ته ظرف رسوب كنند. در طول آزمایش با گذشت زمان، توزیع فیزیكی نوترون‌ها در جعبه شیشه‌ای تغییر می‌كند؛ این تغییر موجب خطای سیستماتیكی در شمارش نوترون‌ها (كه در زمان‌های متفاوت انجام می‌گیرد) می‌شود. این خطا، مسلماً بزرگترین خطای این اندازه‌گیری است.
اما چون فهم مسئله نسبتاً آسان است، تجدید نظر در طراحی آزمایش و انجام محاسبات پیچیده‌تر در مورد آهنگ كاهش تعداد نوترون‌ها، كاری است شدنی. بدون شك با بهبود آزمایش، خطاهای دیگری وارد می‌شوند، اما چیزی كه مامپ و همكارانش نشان داده‌اند این است كه نتایج حاصل از كاربرد سرراست این تكنیك دست‌كم به خوبی همان نتایجی است كه از دقیق‌ترین ابزارهای مورد استفاده در روش‌های قبلی به دست آمده است.