Precision Neutron Decay Measurements

精密中子衰变测量

基本信息

  • 批准号:
    1505196
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 70万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-09-01 至 2021-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The neutron is a key building block of ordinary matter, but when freed from the confines of an atom the neutron is unstable and decays into other elementary particles: a proton, an electron, and an antineutrino (a lightweight neutral particle), with an average lifetime of about 15 minutes. Neutron decay is a useful laboratory for studying details of the force responsible - the weak nuclear force - one of the four fundamental forces of nature. This award will support an experiment in which beams of free neutrons pass through specialized detectors that precisely measure the neutron decay lifetime and the angles between the emitted particles. From these results the scientists can test and refine the theory of the weak nuclear force and better understand the physics of the sun, stars, the Big Bang, and important nuclear reactions. This work, at the "precision frontier" of particle and nuclear physics, complements research at the "high energy frontier", for example at the Large Hadron Collider in Europe. This project is also an excellent opportunity to train undergraduate and graduate students in the general methods and theory of neutron science that are applicable to diverse fields in physics, chemistry, materials science, and biology research at major neutron sources around the world.The beta decay of the free neutron is the prototype semileptonic weak interaction and simplest nuclear beta decay. There are no complications from nuclear structure, and the decay energy is small compared to the nucleon mass so recoil-order weak form factors enter below the 0.1% level. Therefore neutron decay is an attractive system for precise low energy weak interaction measurements. The neutron lifetime establishes the time scale and temperature of nucleon "freeze out" shortly after the Big Bang, which sets the neutron to proton ratio during the era of primordial nucleosynthesis and hence the helium abundance, and indirectly constrains the effective number of light neutrinos. The electron-antineutrino correlation "a" gives lambda, the ratio of axial vector (GA) and vector (GV) weak nucleon couplings. With the neutron lifetime it can be used to determine Vud, the first element of the Cabbibo-Kobayashi-Maskawa matrix, and constrain new physics beyond the Standard Model such as weak scalar and tensor forces. The present experimental situations with both the neutron lifetime and lambda are unsatisfactory, there is relatively poor agreement among previous measurements. The proposed program consists of three projects: 1) A continuation of the aCORN experiment at the NIST Center for Neutron Research toward an ultimate goal of measuring "a" to 0.5% uncertainty (a factor of 10 improvement); 2) a phased program to improve the neutron lifetime measurement using the beam method; and 3) development of a 3He gas scintillation absolute neutron flux counter to support the neutron lifetime program.
中子是普通物质的关键组成部分,但当脱离原子的限制时,中子是不稳定的,并衰变为其他基本粒子:质子,电子和反中微子(一种轻质中性粒子),平均寿命约为15分钟。中子衰变是一个有用的实验室,可以用来研究弱核力的细节,弱核力是自然界四种基本力之一。该奖项将支持一项实验,其中自由中子束通过专门的探测器,精确测量中子衰变寿命和发射粒子之间的角度。从这些结果中,科学家可以测试和完善弱核力理论,更好地理解太阳、恒星、大爆炸和重要核反应的物理学。这项工作在粒子和核物理学的“精确前沿”,补充了“高能前沿”的研究,例如在欧洲的大型强子对撞机。该项目也是培养本科生和研究生在中子科学的一般方法和理论,适用于物理,化学,材料科学和生物学的研究在世界各地的主要中子源的不同领域的一个极好的机会。自由中子的β衰变是原型半轻子弱相互作用和最简单的核β衰变。没有来自核结构的复杂性,并且衰变能量与核子质量相比很小,因此反冲阶弱形状因子进入低于0.1%的水平。因此,中子衰变是一个有吸引力的系统,用于精确的低能弱相互作用测量。中子寿命确定了大爆炸后不久核子“冻结”的时间尺度和温度,从而确定了原始核合成时代的中子质子比,从而确定了氦的丰度,并间接限制了轻中微子的有效数量。电子-反中微子关联“a”给出了λ,轴向矢量(GA)和矢量(GV)弱核子耦合的比率。有了中子寿命,它可以用来确定Vud,Cabbibo-Kobayashi-Maskawa矩阵的第一个元素,并限制标准模型之外的新物理,如弱标量和张量力。目前的实验情况与中子寿命和λ是不令人满意的,有以前的测量之间的协议相对较差。拟议的计划包括三个项目:1)在NIST中子研究中心继续进行aCORN实验,最终目标是测量“a”到0.5%的不确定度(改进系数为10); 2)改进使用束流法的中子寿命测量的分阶段计划; 3)研制3 He气体闪烁绝对中子通量计数器以支持中子寿命计划。

项目成果

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