Jak dlouho neutron žije?
Životnost neutronů je tak zásadní a je důležité jí porozumět
Rozdíl 8-9 sekund je čtyřikrát většíchyba měření dvě sekundy. Šance, že se spolu dohodnou, je asi 60 ku 1 milionu, což je prakticky nemožné. Tyto sekundy představují záhadu života neutronů.
Dvě metody, dva výsledky
Vědci tedy použili dvě metody k určení života neutronu. Jak fungují?
- Metoda lahví
V metodě lahví mohou být neutronyuzavřené ve vakuové lahvi vyrobené z materiálu bezpečného pro neutrony nebo držené magnetickými poli a gravitací. Mají extrémně nízkou kinetickou energii a pohybují se rychlostí několik metrů za sekundu. Nazývají se ultracoldové neutrony (UCN). Fyzici oddělují neutrony od jader atomů, dávají je do lahví a poté spočítají, kolik jich tam po chvíli zůstane. Výsledkem je, že vědci docházejí k závěru, že neutrony se radioaktivně rozpadají v průměru za 14 minut a 39 sekund.
- Rayova metoda
Radiační experimenty využívají strojekteré vytvářejí neutronové toky. Vědci měří počet neutronů v určitém objemu paprsku. Poté směrují tok přes magnetické pole do lapače částic tvořeného elektrickým a magnetickým polem. Neutrony se rozpadají v pasti, kde fyzici měří počet zbývajících protonů. V takových experimentech určují průměrnou dobu života neutronů na 14 minut 48 sekund.
Výsledky
Dosud je sedm výsledkůvysoce přesné měření lahví s různým nastavením a pouze dvěma měřeními paprsku. U obou měření paprsků byla použita stejná metoda - Penningova past. Produkt rozpadu, protony, je jím zachycen a počítán dobře kalibrovaným detektorem.
Samotná Penningova past představujeje zařízení, které využívá rovnoměrného statického magnetického pole a prostorově nehomogenního elektrického pole k ukládání nabitých částic. Tento typ pasti se často používá k přesnému měření vlastností iontů a stabilních subatomárních částic, které mají elektrický náboj.
Není pochyb o tom, že pro srovnání a ověření je zapotřebí více experimentů, a to nejen s paprskem, ale obecně.
Existují i jiné způsoby?
V paprskové metodě fyzici určují, jak mocneutrony podléhají beta rozpadu. Připomeňme, že rozpad neutronu beta je spontánní přeměna volného neutronu na proton s emisí β-částice (elektronu) a elektronového antineutrina.
Přesná měření parametrů rozpadu betaneutron (životnost, úhlové korelace mezi momentem hybnosti částic a spinem neutronu) jsou důležité pro určení vlastností slabé interakce. Jde o zásadní interakci, zodpovědnou zejména za procesy beta rozpadu atomových jader a slabých rozpadů elementárních částic, jakož i porušení zákonů zachování prostorové a kombinované parity v nich. Tato interakce se nazývá slabá, protože další dvě interakce, významné pro jadernou fyziku a fyziku vysokých energií (silná a elektromagnetická), se vyznačují mnohem větší intenzitou. Je však mnohem silnější než čtvrtá ze základních interakcí, gravitační.
Detekce antineutrina je obtížná.Přední světové detektory jsou často gigantické a zaměřují se na intenzivní zdroj toku, jako je Slunce nebo jaderná elektrárna. Za rok se však stane jen několik událostí. Antineutrino zde tedy nepomůže.
A co proton?Doposud byly všechny výsledky s nejlepší přesností v paprskové metodě získány registrací protonů. Nyní probíhají aktivní práce na vylepšení metody. Například v USA se připravuje modernizovaný experiment BL3. Vědci z J-PARC nedávno oznámili svůj předběžný výsledek životnosti neutronů detekcí elektronů rozpadu beta pomocí časově projekční komory (TPC). Takové komory jsou kombinací driftových a proporčních komor. Jedná se o nejuniverzálnější nástroj ve fyzice vysokých energií, protože umožňují získat trojrozměrný elektronický obraz dráhy se srovnatelným prostorovým rozlišením ve všech třech souřadnicích. Práce japonských vědců je oživením experimentu, který poprvé navrhli Kossakowski a kol. V roce 1989. Nyní pracují na zlepšení jeho přesnosti.
Po desetiletích úsilí lze předpokládat, že by měly být pečlivě prozkoumány všechny možné cesty paprskové metody.
Nebo existuje více možností?
Supertekutý čas helia
Nedávno ve svém článku „Nový experimento době života neutronu s rozpadem paprsku studených neutronů v supratekutém heliu-4,“ publikovaném v Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Dr. Wanchun Wei navrhl nový přístup. Konkrétně použít scintilátor supratekutého helia-4 k detekci produktu rozpadu neutronu – elektronu. Autor studie získal doktorát z fyziky na Brown University v USA a absolvoval postdoktorandskou stáž v Los Alamos National Laboratory. V současné době pracuje jako výzkumný inženýr v Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, USA (Caltech).
Experimentujte v UNCtau v Los Alamos pomocí metody lahve k měření životnosti neutronů
Weiho nápad zní neobvykle a tady je důvod.
Většina celoživotních experimentůneutrony se provádějí za podmínek vysokého vakua, aby se vyloučil rozptyl neutronů na plynných částicích. Výjimkou je experiment J-PARC, kde TPC vyžaduje pracovní plyn k zesílení beta rozpadu náboje elektronu na detekovatelný proud. K identifikaci a eliminaci událostí na pozadí způsobených rozptýlenými neutrony je nutná sofistikovaná analýza.
Nová metoda bude fungovat díky úžasnévlastnosti supratekutého helia, kvantové kapaliny. Vytváří makroskopickou funkci kvantových vln a většina kondenzuje do základního stavu. Elementární excitace v kvantové tekutině předpověděl Landau v roce 1947 a potvrdil nepružný rozptyl neutronů.
Zvláštností supertekutého hélia-4 je to, že proudí bez tření po jakémkoli povrchu, protéká velmi malými póry a řídí se pouze svou vlastní setrvačností.
Kapalné helium je v supratekuté fázi.Zatímco zůstává supratekutá, plíží se podél stěny kalíšku v tenkém filmu. Klesá zvenčí a tvoří kapku, která spadne do kapaliny pod sebou. Další kapka se vytvoří — a tak dále, dokud není pohár prázdný
Pokud je průchod neutronového paprsku plynem problematický, proč uvažovat o kapalině?
Ano, neutrony jsou rozptýleny v supratekutém heliu,ale pouze na elementárních buzeních. A musí být splněna podmínka zachování energie a hybnosti. Cohen a Feynman ve svém článku publikovaném v roce 1957 ukázali, že k rozptylu nedochází, pokud vlnová délka neutronů přesáhne 16,5 angstromů. To znamená, že nízkoenergetické neutrony s dlouhou vlnovou délkou mohou cestovat supratekutým heliem-4, jako by to bylo vakuum. To zase potvrzuje návrh nového experimentu s paprskem se supratekutým scintilátorem helium-4.
Superfluidní helium-4 jako scintilátor
První scintilační detektor bylsíto pokryté vrstvou sulfidu zinečnatého (ZnS). Blesky, ke kterým došlo, když na ni dopadly nabité částice, byly zaznamenány pomocí mikroskopu. Právě s takovým detektorem provedli Geiger a Marsden v roce 1909 experiment na rozptylu alfa částic atomy zlata, který vedl k objevu atomového jádra. Od roku 1944 zaznamenávají záblesky světla ze scintilátoru fotonásobiče (PMT). Později byly pro tyto účely použity také fotodiody.
Scintilátor může být organický (krystaly, plasty nebo kapaliny) nebo anorganický (krystaly nebo skla). Používají se i plynové scintilátory.
Superfluidní helium-4 je dobře studováno jako kandidátk scintilačnímu detektoru neutrin a temné hmoty. Když se nabité částice s vysokou kinetickou energií srazí s supertekutým heliem-4, atomy helia jsou ionizovány, excitovány a vyzařují scintilační světlo. Proces je poměrně komplikovaný, ale obecně je počet emitovaných fotonů lineárně úměrný energii nabité částice. Uvolněný elektron nese kinetickou energii v rozsahu od nuly do 782 keV z uvolněné jaderné energie v beta rozpadu. Počet rozpadlých neutronů lze tedy vypočítat ze scintilační frekvence.
Mezitím je nutné řídit tok neutronůpulzní paprsek. Toho lze dosáhnout izotopem helium-3, který zachycuje neutron, přeměňuje se na proton a triton a uvolňuje 764 keV energie. Rychlost takových událostí zachycení je úměrná toku paprsku. Tyto události představují provizi jader. Naopak, rozpad je darování elektronů. Události zachycení a rozpadu proto mají v scintilačním signálu jinou sadu podpisů. V okamžité záři událost zachycení produkuje mnohem méně fotonů na jednotku vstupu energie než událost rozpadu. Událost zachycení má krátký zastavovací rozsah desítek mikronů, zatímco událost rozpadu má dlouhou stopu až 2 cm. Analogicky jeden vypadá jako supernova a druhý jako meteor. Kromě toho mají odlišné chování v rychlosti rozpadu perzistence.
Maximální přesnost
Klíčem k vyřešení záhady života neutronů je vysoká přesnost. Nový experiment má smysl, pouze pokud přesnost může dosáhnout 0,1% nebo méně než 1 sekundu.
Registrovat všechny je téměř nemožnébeta rozpadové elektrony, protože některé z nich mají příliš nízkou energii na to, aby získaly adekvátní scintilační světlo. Existuje však cesta ven. Na jedné straně navrhovaný detektor poskytne poziční rozlišení podél osy paprsku. K vysoce přesné analýze dat budou použity pouze události v centrální oblasti. Na druhou stranu můžete nasbírat co nejvíce světla. Detektor je navržen tak, aby pokryl více než 96% pevného úhlu událostí v centrální oblasti, takže lze přesně získat energii elektronů rozpadu beta. Velké množství těchto událostí tvoří přesné β-rozpadové spektrum, které je dobře popsáno Fermiho teorií. Spodní část spektra může chybět kvůli malému blikání.
Kromě toho je důležité potlačení událostí na pozadí,zvláště související s rozptýlenými neutrony. Absence rozptylu neutronového paprsku supratekutým heliem je již dobrým začátkem. Všechny parazitní neutrony rozptýlené z objemových oken budou zachyceny absorbéry neutronů obklopujících detektor, aby se minimalizovala aktivace neutronů.
Detektor také uvidí Comptonudálosti způsobené okamžitou emisí gama záření během zachycení neutronů u vstupního a výstupního okna. Objeví se jako dva jasné záblesky v časové posloupnosti a lze jej použít jako referenci času a intenzity k rekonstrukci polohy signálních událostí, kalibraci detektoru a charakterizaci spektra paprsku.
Jaký je konečný výsledek?
Tato nová metoda se zásadně liší odstávající experimenty s paprskem. Nevyžaduje silné magnetické pole. Využívá pulzní paprsek s mnohem nižší energií neutronů. A superfluidní scintilační detektor hélia nabízí jasnou sadu systematických efektů. Samozřejmě existuje mnoho technických potíží, které je třeba překonat. Ve svém článku popisujícím nový přístup Wei, experimentátor ve studiu částic v supratekutém héliu, uvedl, že je přesvědčen, že nová myšlenka nakonec pomůže vyřešit záhadu života neutronů a poskytne nové příležitosti pro objevování nové fyziky.
Přečtěte si více
Nalezen nový druh černé díry, který nezapadá do teorie relativity
Potrat a věda: co se stane s dětmi, které porodí
Vědci vyvinuli náhradu za teorii relativity. Co je podstatou „teorie všeho“?
Vysoká přesnost
US National Institute of Standards and Technology
J-PARC - komplex urychlovače protonů propotřeby fyziky vysokých energií, fyziky hadronů a neutrin, vědy o materiálech. Nachází se poblíž japonského Tokai, společný projekt národní laboratoře fyziky vysokých energií KEK a agentury pro atomovou energii JAEA.
Angstrom je nesystémová jednotka pro měření délky rovnající se 10⁻⁰⁰ m. Je pojmenována podle švédského fyzika a astronoma Anderse Angstroma, který ji navrhl v roce 1868.
Comptonův efekt (Comptonův efekt,Comptonův rozptyl) - nekoherentní rozptyl fotonů zdarmaelektrony, nekoherence znamená, že fotony před a po rozptylu neinterferují. Efekt je doprovázen změnou frekvence fotonů, jejichž část energie se po rozptylu přenáší na elektrony.
Pevný úhel je část prostoru, což je spojení všech paprsků vycházejících z daného bodu (vrcholyúhel) a protínající nějakou plochu (která se nazývá plocha,stahujícídaný prostorový úhel). Speciálními případy prostorových úhlů jsou trojstěnné a mnohostěnné úhly. Hranicí prostorového úhlu je určitá kuželová plocha.
Teoretický popis beta rozpadu jaderbyl vyvinut fyzikem Enrico Fermi, který představil nejdůležitější charakteristiku - Fermiho vazebnou konstantu GFGF. Pomáhá určit absolutní hodnotu životnosti jader ve vztahu k rozpadu beta. Současně E. Fermi vypočítal tvar beta spektra rozpadových elektronů v nejjednodušším případě povolených přechodů beta (tzv. Fermiho forma beta spektra).
Beta rozpady jsou rozděleny na přechody typu Fermi, ve kterých jsou otáčky odchozích leptonů antiparalelní, a typ Gamow-Teller, ve kterém jsou odchozí otáčky leptonu rovnoběžné.
Elektronový volt je nesystémová jednotka energie používaná v atomové a jaderné fyzice, ve fyzice elementárních částic a v blízce příbuzných a příbuzných vědních oborech.