كم من الوقت يعيش النيوترون؟
عمر النيوترون أساسي ومهم جدا لفهمه
الفرق 8-9 ثواني أكبر بأربع مراتخطأ القياس لمدة ثانيتين. احتمال أن يتفقوا مع بعضهم البعض هو حوالي 60 في المليون، وهو أمر مستحيل عمليا. تشكل هذه الثواني لغز عمر النيوترون.
طريقتان ، نتيجتان
لذلك ، استخدم العلماء طريقتين لتحديد عمر النيوترون. كيف يعملون؟
- طريقة الزجاجة
في طريقة الزجاجة ، يمكن أن تكون النيوتروناتمختومة في زجاجة مفرغة من الهواء مصنوعة من مادة آمنة للنيوترونات أو ممسكة بالمجالات المغناطيسية والجاذبية. لديهم طاقة حركية منخفضة للغاية وتتحرك بسرعة عدة أمتار في الثانية. يطلق عليهم النيوترونات فائقة البرودة (UCNs). يفصل الفيزيائيون النيوترونات عن نوى الذرات ، ويضعونها في زجاجة ، ثم يحسبون كم منها تبقى هناك بعد فترة. نتيجة لذلك ، خلص العلماء إلى أن النيوترونات تتحلل إشعاعيًا في متوسط 14 دقيقة و 39 ثانية.
- طريقة راي
تجارب الإشعاع تستخدم الآلاتالتي تخلق تدفقات النيوترونات. يقيس العلماء عدد النيوترونات في حجم معين من الشعاع. ثم يقومون بعد ذلك بتوجيه التدفق عبر مجال مغناطيسي إلى مصيدة جسيمات مكونة من المجالات الكهربائية والمغناطيسية. وتضمحل النيوترونات في مصيدة، حيث يقيس الفيزيائيون عدد البروتونات المتبقية. وفي مثل هذه التجارب، حددوا متوسط عمر النيوترون عند 14 دقيقة و48 ثانية.
النتائج
هناك سبع نتائج حتى الآنقياسات زجاجة عالية الدقة بإعدادات مختلفة وقياسات شعاعين فقط. في كلا قياسات الحزمة ، تم استخدام نفس الطريقة - مصيدة بنينج. يتم التقاط منتج الاضمحلال ، البروتونات ، به ويتم عده بواسطة كاشف مُعاير جيدًا.
يمثل فخ Penning نفسههو جهاز يستخدم مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا ومجالًا كهربائيًا غير متجانس مكانيًا لتخزين الجسيمات المشحونة. غالبًا ما يستخدم هذا النوع من المصائد لإجراء قياسات دقيقة لخصائص الأيونات والجسيمات دون الذرية المستقرة التي لها شحنة كهربائية.
ليس هناك شك في أن هناك حاجة لمزيد من التجارب للمقارنة والتحقق ، ليس فقط مع الحزمة ، ولكن بشكل عام.
هل توجد طرق أخرى؟
وفي طريقة الشعاع، يحدد الفيزيائيون مقدار ذلكالنيوترونات تخضع لاضمحلال بيتا. دعونا نتذكر أن اضمحلال بيتا النيوتروني هو التحول التلقائي للنيوترون الحر إلى بروتون مع انبعاث جسيم بيتا (إلكترون) وإلكترون نيوترينو مضاد.
قياسات دقيقة لمعلمات اضمحلال بيتاالنيوترون (مدى الحياة، الارتباطات الزاوية بين عزم الجسيم ودوران النيوترون) مهمة لتحديد خصائص التفاعل الضعيف. هذا تفاعل أساسي، مسؤول بشكل خاص عن عمليات اضمحلال بيتا للنوى الذرية والتحلل الضعيف للجزيئات الأولية، فضلاً عن انتهاكات قوانين الحفاظ على التكافؤ المكاني والمجمع فيها. يُطلق على هذا التفاعل اسم ضعيف، نظرًا لأن التفاعلين الآخرين، المهمين للفيزياء النووية وفيزياء الطاقة العالية (القوية والكهرومغناطيسية)، يتميزان بكثافة أكبر بكثير. ومع ذلك، فهو أقوى بكثير من رابع التفاعلات الأساسية، الجاذبية.
من الصعب اكتشاف مضادات النيترينو.غالبًا ما تكون أجهزة الكشف الرائدة في العالم عملاقة وتستهدف مصدرًا شديدًا للتدفق مثل الشمس أو محطة طاقة نووية. ومع ذلك ، لا تحدث سوى أحداث قليلة في السنة. لذلك لن يساعد antineutrino هنا.
ماذا عن البروتون؟حتى الآن ، تم الحصول على جميع النتائج بأفضل دقة في طريقة الأشعة من خلال تسجيل البروتونات. يجري الآن العمل النشط لتحسين الطريقة. على سبيل المثال ، تجربة BL3 حديثة قيد الإعداد في NIST ، الولايات المتحدة الأمريكية. أعلن الباحثون في J-PARC مؤخرًا عن نتائجهم الأولية للعمر النيوتروني عن طريق الكشف عن إلكترونات تحلل بيتا باستخدام غرفة الإسقاط الزمني (TPC). هذه الغرف عبارة عن مزيج من غرف الانجراف والغرف النسبية. إنها الأداة الأكثر تنوعًا في فيزياء الطاقة العالية ، لأنها تسمح للشخص بالحصول على صورة إلكترونية ثلاثية الأبعاد لمسار بدقة مكانية مماثلة في الإحداثيات الثلاثة. يعتبر عمل العلماء اليابانيين إحياءً لتجربة اقترحها كوساكوفسكي وآخرون لأول مرة في عام 1989. إنهم يعملون الآن على تحسين دقتها.
بعد عقود من الجهد ، يمكن الافتراض أنه ينبغي التحقيق بعناية في جميع المسارات الممكنة لطريقة الأشعة.
أم أن هناك المزيد من الخيارات؟
وقت الهيليوم فائق السوائل
مؤخرا في مقالته "تجربة جديدةحول عمر النيوترون مع اضمحلال شعاع من النيوترونات الباردة في سائل الهيليوم -4 الفائق، المنشور في مجلة الفيزياء جي: الفيزياء النووية والجسيمية، اقترح الدكتور وانتشون وي نهجًا جديدًا. وهي استخدام وميض الهيليوم -4 فائق السيولة للكشف عن منتج اضمحلال النيوترون - الإلكترون. حصل مؤلف الدراسة على درجة الدكتوراه في الفيزياء من جامعة براون بالولايات المتحدة الأمريكية وأكمل زمالة ما بعد الدكتوراه في مختبر لوس ألاموس الوطني. يعمل حاليًا كمهندس أبحاث في مختبر كيلوج للإشعاع، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، الولايات المتحدة الأمريكية (كالتك).
تجربة في UNCtau في لوس ألاموس باستخدام طريقة الزجاجة لقياس عمر النيوترون
تبدو فكرة وي غير عادية ، وهذا هو السبب.
معظم تجارب العمرتُنفَّذ النيوترونات تحت ظروف تفريغ عالية لاستبعاد تشتت النيوترونات على جزيئات الغاز. الاستثناء هو تجربة J-PARC ، حيث يتطلب TPC غاز عامل لتضخيم شحنة اضمحلال بيتا للإلكترون إلى تيار قابل للكشف. مطلوب تحليل متطور لتحديد أحداث الخلفية التي تسببها النيوترونات المتناثرة والقضاء عليها
الطريقة الجديدة ستعمل بفضل المدهشخصائص السوائل الفائقة الهليوم والسائل الكمومي. إنها تشكل دالة موجة كمومية عيانية ، ويتكثف معظمها في الحالة الأرضية. تنبأ لانداو بالإثارة الأولية في سائل كمي في عام 1947 وأكدها تشتت النيوترون غير المرن.
خصوصية المائع الفائق الهيليوم 4 هو أنه يتدفق بدون احتكاك على أي سطح ، ويتدفق عبر مسام صغيرة جدًا ، ولا يطيع سوى قصوره الذاتي.
الهيليوم السائل في مرحلة السوائل الفائقة.وبينما يظل سائلًا فائقًا، فإنه يزحف على طول جدار الكوب في طبقة رقيقة. ينزل من الخارج مشكلاً قطرة تسقط في السائل الموجود بالأسفل. سوف تتشكل قطرة أخرى — وهكذا حتى يفرغ الكوب
إذا كان تمرير شعاع نيوتروني عبر غاز يمثل مشكلة ، فلماذا نفكر في السائل؟
نعم ، النيوترونات مبعثرة في الهيليوم فائق السوائل ،ولكن فقط على الإثارة الأولية. ويجب الوفاء بشرط الحفاظ على الطاقة والزخم. أظهر كوهين وفينمان في ورقتهما المنشورة عام 1957 أن التشتت لا يحدث إذا تجاوز الطول الموجي النيوتروني 16.5 أنجستروم. هذا يعني أن النيوترونات منخفضة الطاقة وطويلة الموجة يمكن أن تنتقل عبر الموائع الفائقة الهليوم 4 كما لو كان فراغًا. وهذا بدوره يؤكد الاقتراح الخاص بتجربة شعاع جديدة باستخدام وميض هيليوم 4 فائق السوائل.
المائع الفائق الهليوم -4 كمومض
أول كاشف وميض كانشاشة مغطاة بطبقة من كبريتيد الزنك (ZnS). تم تسجيل الومضات التي حدثت عندما اصطدمت الجسيمات المشحونة باستخدام المجهر. باستخدام هذا الكاشف ، أجرى جيجر ومارسدن تجربة على تشتت جزيئات ألفا بواسطة ذرات الذهب في عام 1909 ، مما أدى إلى اكتشاف النواة الذرية. منذ عام 1944 ، تم تسجيل ومضات ضوئية من جهاز وميض بواسطة أنابيب مضاعفة ضوئية (PMTs). في وقت لاحق ، تم استخدام الثنائيات الضوئية أيضًا لهذه الأغراض.
يمكن أن يكون جهاز الوميض عضويًا (بلورات أو بلاستيك أو سوائل) أو غير عضوي (بلورات أو نظارات). كما يتم استخدام أجهزة التلألؤ الغازية.
تمت دراسة السوائل الفائقة الهليوم -4 جيدًا كمرشحإلى كاشف وميض النيوترينوات والمادة المظلمة. عندما تصطدم الجسيمات المشحونة ذات الطاقة الحركية العالية بالهيليوم 4 الفائق السوائل ، تتأين ذرات الهليوم وتتحمس وتنبعث منها ضوء وميض. العملية معقدة للغاية ، ولكن بشكل عام ، فإن عدد الفوتونات المنبعثة يتناسب خطيًا مع طاقة الجسيم المشحون. يحمل الإلكترون المنطلق طاقة حركية في النطاق من صفر إلى 782 كيلو فولت من الطاقة النووية المنبعثة في اضمحلال بيتا. وبالتالي ، يمكن حساب عدد النيوترونات المتحللة من تردد الوميض.
في غضون ذلك ، من الضروري التحكم في تدفق النيوتروناتشعاع نابض. يمكن القيام بذلك باستخدام نظير الهليوم -3 ، الذي يلتقط نيوترونًا ويتحول إلى بروتون وتريتون ويطلق 764 كيلو إلكترون فولت من الطاقة. يتناسب معدل أحداث الالتقاط هذه مع تدفق الحزمة. تمثل هذه الأحداث عمولة النوى. على العكس من ذلك ، فإن الانحلال هو التبرع بالإلكترونات. لذلك ، يكون لأحداث الالتقاط والانحلال مجموعة مختلفة من التوقيعات في إشارة التلألؤ. في التوهج الفوري ، ينتج حدث الالتقاط فوتونات أقل بكثير لكل وحدة من مدخلات الطاقة من حدث الاضمحلال. حدث الالتقاط له مدى توقف قصير يصل إلى عشرات الميكرونات ، في حين أن حدث الاضمحلال له مسار طويل يصل إلى 2 سم ، وقياسًا على ذلك ، يبدو أحدهما مثل سوبر نوفا ، والآخر يشبه نيزك. بالإضافة إلى ذلك ، لديهم سلوك مميز في معدل اضمحلال المثابرة.
الدقة المطلقة
مفتاح حل لغز عمر النيوترون هو الدقة العالية. تكون التجربة الجديدة منطقية فقط إذا كانت الدقة يمكن أن تصل إلى 0.1٪ أو أقل من ثانية واحدة.
يكاد يكون من المستحيل تسجيل الجميعإلكترونات تحلل بيتا ، لأن بعضها لديه طاقة منخفضة جدًا للحصول على ضوء وميض مناسب. ولكن هناك طريقة للخروج. من ناحية أخرى ، سيوفر الكاشف المقترح دقة موضعية على طول محور الحزمة. سيتم استخدام الأحداث في المنطقة المركزية فقط لتحليل البيانات بدقة عالية. من ناحية أخرى ، يمكنك جمع أكبر قدر ممكن من الضوء. تم تصميم الكاشف لتغطية أكثر من 96٪ من الزاوية الصلبة للأحداث في المنطقة المركزية ، بحيث يمكن استرداد طاقة إلكترونات اضمحلال بيتا بدقة. يشكل عدد كبير من هذه الأحداث طيف انحلال الدقيق ، والذي تم وصفه جيدًا بواسطة نظرية فيرمي. قد يكون الجزء السفلي من الطيف مفقودًا بسبب انخفاض الوميض.
بالإضافة إلى ذلك ، من المهم قمع أحداث الخلفية ،خاصة فيما يتعلق بالنيوترونات المتناثرة. يعتبر عدم وجود تشتت شعاع نيوتروني بواسطة الهيليوم الفائق بالفعل بداية جيدة. سيتم التقاط جميع النيوترونات الطفيلية المتناثرة من نوافذ الحجم بواسطة ماصات النيوترونات المحيطة بالكاشف لتقليل تنشيط النيوترونات.
سيشاهد الكاشف أيضًا كومبتونالأحداث الناجمة عن الانبعاث الفوري لإشعاع غاما أثناء التقاط النيوترونات عند نوافذ المدخل والخروج. سيظهر على شكل رشقتين ساطعتين في تسلسل زمني ويمكن استخدامه كمرجع للوقت والشدة لإعادة بناء موضع أحداث الإشارة ، ومعايرة الكاشف ، وتمييز طيف الحزمة.
ما هو الحد الأدنى؟
هذه الطريقة الجديدة تختلف اختلافا جوهريا عنتجارب الشعاع الموجودة. لا يتطلب مجال مغناطيسي قوي. يستخدم شعاعًا نابضًا به نيوترونات ذات طاقة أقل بكثير. ويقدم كاشف وميض الهيليوم السائل الفائق مجموعة واضحة من التأثيرات المنهجية. بالطبع ، هناك العديد من الصعوبات الفنية للتغلب عليها. في مقالته التي تصف النهج الجديد ، قال وي ، وهو مجرب في دراسة الجسيمات في الهيليوم فائق السوائل ، إنه واثق من أن الفكرة الجديدة ستساعد في النهاية في حل لغز عمر النيوترون وتوفر فرصًا جديدة لاكتشاف فيزياء جديدة.
قراءة المزيد
تم العثور على نوع جديد من الثقوب السوداء لا يتناسب مع نظرية النسبية
الإجهاض والعلم: ماذا سيحدث للأطفال الذين سينجبون
طور العلماء بديلًا لنظرية النسبية. ما هو جوهر "نظرية كل شيء"؟
دقة عالية
المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا
J-PARC - مجمع مسرع البروتون لـاحتياجات فيزياء الطاقة العالية وفيزياء هادرونيك والنيوترينو وعلوم المواد. يقع بالقرب من توكاي ، اليابان ، وهو مشروع مشترك بين المختبر الوطني لفيزياء الطاقة العالية KEK ووكالة الطاقة الذرية JAEA.
أنجستروم هي وحدة قياس طول غير نظامية تساوي 10 ميكرون ، وقد سميت على اسم الفيزيائي السويدي وعالم الفلك أندرس أنجستروم ، الذي اقترحها عام 1868.
تأثير كومبتون (تأثير كومبتون,نثر كومبتون) - تشتت غير متماسك للفوتونات بالمجانالإلكترونات ، عدم الاتساق يعني أن الفوتونات قبل وبعد التشتت لا تتداخل. ويصاحب التأثير تغير في تردد الفوتونات ، حيث يتم نقل جزء من طاقتها إلى الإلكترونات بعد التشتت.
الزاوية الصلبة هي جزء من الفضاء ، وهو اتحاد كل الأشعة المنبثقة من نقطة معينة (قممزاوية) ويتقاطع مع بعض السطح (والذي يسمى السطح،انقباضمعطاة زاوية مجسمة). الحالات الخاصة للزوايا الصلبة هي الزوايا ثلاثية السطوح ومتعددة السطوح. حدود الزاوية الصلبة هي سطح مخروطي معين.
الوصف النظري لاضمحلال بيتا للنواةتم تطويره بواسطة الفيزيائي إنريكو فيرمي ، الذي قدم أهم خاصية - ثابت اقتران فيرمي GFGF. يساعد على تحديد القيمة المطلقة لعمر النوى فيما يتعلق بتحلل بيتا. في نفس الوقت ، قام E.Fermi بحساب شكل طيف بيتا لإلكترونات الانحلال في أبسط حالات انتقالات بيتا المسموح بها (ما يسمى شكل فيرمي من طيف بيتا).
تنقسم تحولات بيتا إلى انتقالات من نوع Fermi ، حيث تكون دوران اللبتونات الخارجة معاكسة للتوازي ، ونوع Gamow-Teller ، حيث تكون لفات lepton المنتهية ولايته متوازية.
الإلكترون فولت هو وحدة خارج النظام للطاقة المستخدمة في الفيزياء الذرية والنووية وفي فيزياء الجسيمات الأولية وفي مجالات العلوم وثيقة الصلة والمتعلقة.