Колко дълго живее неутронът?
Животът на неутрона е толкова фундаментален и важен за разбиране
Разликата от 8-9 секунди е четири пъти по-голямагрешка при измерване от две секунди. Шансът да се съгласят помежду си е около 60 на 1 милион, което е практически невъзможно. Тези секунди представляват мистерията на живота на неутрона.
Два метода, два резултата
И така, учените са използвали два метода за определяне живота на неутрон. Как работят те?
- Метод на бутилката
При метода на бутилката неутроните могат да бъдатзатворени във вакуумна бутилка, изработена от неутронно безопасен материал или държана от магнитни полета и гравитация. Те имат изключително ниска кинетична енергия и се движат със скорост от няколко метра в секунда. Те се наричат ултра студени неутрони (UCN). Физиците отделят неутроните от ядрата на атомите, поставят ги в бутилка и след това преброяват колко от тях остават там след известно време. В резултат на това учените заключават, че неутроните се разпадат радиоактивно за средно 14 минути и 39 секунди.
- Метод на Рей
Радиационните експерименти използват машиникоито създават неутронни потоци. Учените измерват броя на неутроните в определен обем на лъча. След това те насочват потока през магнитно поле в капан за частици, образуван от електрическите и магнитните полета. Неутроните се разпадат в капан, където физиците измерват броя на оставащите протони. В такива експерименти те определят средната продължителност на живота на неутрона на 14 минути 48 секунди.
резултати
Засега има седем резултатависоко прецизни измервания на бутилки с различни настройки и само две измервания на лъча. И при двете измервания на лъча беше използван един и същ метод - капанът на Пенинг. Продуктът на разпадането, протоните, се улавя от него и се брои от добре калибриран детектор.
Самият капан на Пенинг представлявае устройство, което използва еднородно статично магнитно поле и пространствено нехомогенно електрическо поле за съхранение на заредени частици. Този тип капан често се използва за извършване на прецизни измервания на свойствата на йони и стабилни субатомни частици, които имат електрически заряд.
Няма съмнение, че са необходими повече експерименти за сравнение и проверка, не само с лъча, но и като цяло.
Има ли други начини?
При лъчевия метод физиците определят колконеутроните претърпяват бета разпад. Нека припомним, че бета-разпадът на неутрона е спонтанното превръщане на свободен неутрон в протон с излъчване на β-частица (електрон) и електронно антинеутрино.
Прецизни измервания на параметрите на бета разпаданеутрон (време на живот, ъглови корелации между моментите на частиците и спина на неутрона) са важни за определяне на свойствата на слабото взаимодействие. Това е фундаментално взаимодействие, отговорно по-специално за процесите на бета-разпад на атомни ядра и слаби разпади на елементарни частици, както и нарушения на законите за запазване на пространствената и комбинираната четност в тях. Това взаимодействие се нарича слабо, тъй като другите две взаимодействия, важни за ядрената физика и физиката на високите енергии (силни и електромагнитни), се характеризират с много по-голяма интензивност. То обаче е много по-силно от четвъртото от фундаменталните взаимодействия, гравитационното.
Откриването на антинеутрино е трудно.Водещите детектори в света често са гигантски и са насочени към интензивен източник на поток като Слънцето или атомна електроцентрала. За година обаче се случват само няколко събития. Така че антинеутрино няма да помогне тук.
Ами протона?Досега всички резултати с най-добра точност в лъчевия метод са получени чрез регистриране на протони. Сега се работи активно за усъвършенстване на метода. Например, в NIST, САЩ се подготвя модернизиран експеримент BL3. Изследователи от J-PARC наскоро обявиха предварителния си резултат от живота на неутрон чрез откриване на бета-разпадащи се електрони с помощта на камера за проекция на времето (TPC). Такива камери са комбинация от дрейф и пропорционални камери. Те са най-универсалният инструмент във физиката на високите енергии, тъй като позволяват да се получи триизмерен електронен образ на писта със сравнима пространствена разделителна способност и в трите координати. Работата на японски учени е съживяване на експеримент, предложен за пръв път от Kossakowski et al.През 1989г. Сега работят за подобряване на точността му.
След десетилетия усилия може да се приеме, че всички възможни пътища на лъчевия метод трябва да бъдат внимателно проучени.
Или има повече опции?
Свръхтечно хелиево време
Наскоро в статията си „Нов експериментза живота на неутрон с разпадането на сноп от студени неутрони в свръхфлуиден хелий-4”, публикуван в Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, д-р Wanchun Wei предложи нов подход. А именно, да се използва свръхфлуиден сцинтилатор на хелий-4 за откриване на разпадния продукт на неутрон - електрон. Авторът на изследването получава докторска степен по физика от университета Браун, САЩ и завършва своята постдокторска стипендия в Националната лаборатория в Лос Аламос. В момента работи като инженер-изследовател в радиационната лаборатория Kellogg, Калифорнийски технологичен институт, САЩ (Caltech).
Експериментирайте в UNCtau в Лос Аламос, използвайки метода на бутилката за измерване на живота на неутроните
Идеята на Вей звучи необичайно и ето защо.
Повечето експерименти през целия животнеутроните се извършват при условия на висок вакуум, за да се изключи разсейването на неутроните върху газовите частици. Изключение прави експериментът J-PARC, където TPC изисква работещ газ, за да усили бета-разпадащия заряд на електрон до откриваем ток. Изисква се сложен анализ за идентифициране и елиминиране на фонови събития, причинени от разпръснати неутрони.
Новият метод ще работи благодарение на невероятносвойства на свръхтечен хелий, квантова течност. Той образува макроскопична квантова вълнова функция и по-голямата част от нея се кондензира в основно състояние. Елементарни възбуждания в квантова течност бяха предсказани от Ландау през 1947 г. и потвърдени от нееластично разсейване на неутрони.
Особеността на свръхтечния хелий-4 е, че тече без триене по която и да е повърхност, тече през много малки пори, подчинявайки се само на собствената си инерция.
Течният хелий е в свръхтечна фаза.Докато остава свръхтечен, той пълзи по стената на чашата в тънък филм. Той се спуска отвън, образувайки капка, която ще падне в течността отдолу. Ще се образува още една капка — и така докато се изпразни чашата
Ако преминаването на неутронния лъч през газ е проблематично, защо да помислите за течност?
Да, неутроните са разпръснати в свръхтечен хелий,но само при елементарни възбуждания. И условието за запазване на енергия и инерция трябва да бъде изпълнено. Коен и Файнман показват в своя доклад, публикуван през 1957 г., че разсейването не се случва, ако дължината на вълната на неутроните надвишава 16,5 ангстрема. Това означава, че нискоенергийните неутрони с дълги вълни могат да пътуват през свръхтечен хелий-4, сякаш е вакуум. От своя страна това потвърждава предложението за нов експеримент с лъчи със свръхтечен сцинтилатор хелий-4.
Свръхтечен хелий-4 като сцинтилатор
Първият сцинтилационен детектор бешеекран, покрит със слой цинков сулфид (ZnS). Светкавиците, възникнали при удара на заредени частици, са записани с помощта на микроскоп. Именно с такъв детектор Гейгер и Марсдън провеждат експеримент за разсейване на алфа частици от златни атоми през 1909 г., което води до откриването на атомното ядро. От 1944 г. светлинни проблясъци от сцинтилатора се регистрират от фотоумножителни лампи (PMT). По-късно за тези цели са използвани и фотодиоди.
Сцинтилаторът може да бъде органичен (кристали, пластмаси или течности) или неорганичен (кристали или стъкла). Използват се и газови сцинтилатори.
Свръхтечният хелий-4 е добре проучен като кандидаткъм сцинтилационния детектор на неутрино и тъмна материя. Когато заредените частици с висока кинетична енергия се сблъскат със свръхтечен хелий-4, хелиевите атоми се йонизират, възбуждат и излъчват сцинтилационна светлина. Процесът е доста сложен, но като цяло броят на излъчените фотони е линейно пропорционален на енергията на заредената частица. Освободеният електрон носи кинетична енергия в интервала от нула до 782 keV от освободената ядрена енергия при бета разпад. По този начин броят на разложените неутрони може да бъде изчислен от честотата на сцинтилация.
Междувременно е необходимо да се контролира неутронният потокимпулсен лъч. Това може да се направи с изотопа хелий-3, който улавя неутрон, превръща се в протон и тритон и освобождава 764 keV енергия. Скоростта на подобни събития е улавяна пропорционално на потока на лъча. Тези събития представляват откат на ядра. Напротив, разпадът е даряването на електрони. Следователно събирането и разпадането имат различен набор от сигнатури в сцинтилационния сигнал. При мигновено сияние събитието на улавяне произвежда много по-малко фотони на единица вложена енергия, отколкото събитие на разпад. Събитието за улавяне има кратък обхват на спиране от десетки микрони, докато събитието за разпад има дълга пътека до 2 см. По аналогия едното изглежда като супернова, а другото като метеор. В допълнение, те имат различно поведение в степента на разпадане на устойчивостта.
Крайна точност
Ключът към разгадаването на загадката на живота на неутрона е висока точност. Новият експеримент има смисъл само ако точността може да достигне 0,1% или по-малко от 1 секунда.
Почти е невъзможно да се регистрират всичкибета разпадащи се електрони, тъй като някои от тях имат твърде ниска енергия, за да получат подходяща сцинтилационна светлина. Но има изход. От една страна, предложеният детектор ще осигури позиционна резолюция по оста на лъча. Само събития в централната зона ще бъдат използвани за изключително точен анализ на данните. От друга страна, можете да съберете възможно най-много светлина. Детекторът е проектиран да покрива повече от 96% от солидния ъгъл на събитията в централната област, така че енергията на електроните с бета разпад да може да бъде възстановена точно. Голям брой от тези събития съставляват точния спектър на β-разпад, който е добре описан от теорията на Ферми. Долната част на спектъра може да липсва поради ниско трептене.
В допълнение, потискането на фоновите събития е важно,особено свързани с разпръснати неутрони. Липсата на разсейване на неутронния лъч от свръхтечен хелий вече е добро начало. Всички паразитни неутрони, разпръснати от обемните прозорци, ще бъдат уловени от неутронни абсорбери, обграждащи детектора, за да се сведе до минимум активирането на неутрон.
Детекторът ще види и Комптънсъбития, причинени от моментно излъчване на гама-лъчение по време на улавяне на неутрони на входните и изходните прозорци. Той ще се появи като два ярки изблика в последователност от време и може да се използва като референция за време и интензивност за възстановяване на положението на сигналните събития, калибриране на детектора и характеризиране на спектъра на лъча.
Какъв е долният ред?
Този нов метод е коренно различен отсъществуващи експерименти с лъчи. Не изисква силно магнитно поле. Той използва импулсен лъч с много по-ниски енергийни неутрони. А свръхтечният сцинтилационен детектор с хелий предлага ясен набор от систематични ефекти. Разбира се, има много технически трудности за преодоляване. В статията си, описваща новия подход, Уей, експериментатор в изследването на частици в свръхтечен хелий, каза, че е уверен, че новата идея в крайна сметка ще помогне да се разгадае загадката на живота на неутрона и ще предостави нови възможности за откриване на нова физика.
Прочетете още
Откриха нов вид черна дупка, която не се вписва в теорията на относителността
Аборт и наука: какво ще се случи с децата, които ще раждат
Учените са разработили заместител на теорията на относителността. Каква е същността на „теорията на всичко“?
Висока прецизност
Американски национален институт за стандарти и технологии
J-PARC - протонен ускорителен комплекс запотребности от физика на високите енергии, адронна и неутринна физика, материалознание. Разположен близо до Токай, Япония, съвместен проект на KEK Националната лаборатория по физика на високите енергии и агенцията за атомна енергия JAEA.
Ангстрем е несистемна единица за измерване на дължина, равна на 10⁻¹⁰ м. Кръстена е на шведския физик и астроном Андерс Ангстрем, който го е предложил през 1868 г.
Комптънов ефект (Комптънов ефект,Комптоново разсейване) - некохерентно разсейване на фотони от свободноелектрони, некохерентността означава, че фотоните преди и след разсейването не пречат. Ефектът е придружен от промяна в честотата на фотоните, част от енергията на които се прехвърля на електрони след разсейване.
Твърдият ъгъл е част от пространството, което е обединението на всички лъчи, излъчвани от дадена точка (върховеъгъл) и пресичане на някаква повърхност (която се нарича повърхност,стесняващдаден телесен ъгъл). Специални случаи на плътни ъгли са тристенните и многостенните ъгли. Границата на плътен ъгъл е определена конична повърхност.
Теоретично описание на бета разпадането на ядратае разработен от физика Енрико Ферми, който въвежда най-важната характеристика - константата на Ферми на свързване GFGF. Помага да се определи абсолютната стойност на живота на ядрата по отношение на бета разпада. Едновременно Е. Ферми изчислява формата на бета спектъра на електроните на разпадане в най-простия случай на позволени бета преходи (така наречената форма на Ферми на бета спектъра).
Бета разпаданията се разделят на преходи от тип Ферми, при които спиновете на изходящите лептони са антипаралелни и тип Гамов-Телер, при които изходящите лептонови въртения са успоредни.
Електрон волтът е извънсистемна енергийна единица, използвана в атомната и ядрената физика, във физиката на елементарните частици и в тясно свързани и свързани области на науката.