Hvor længe lever en neutron?
Neutronens levetid er så fundamental og vigtig at forstå
Forskellen på 8-9 sekunder er fire gange størremålefejl på to sekunder. Chancen for, at de er enige med hinanden, er omkring 60 i 1 million, hvilket praktisk talt er umuligt. Disse sekunder udgør mysteriet om neutronens levetid.
To metoder, to resultater
Så forskere brugte to metoder til at bestemme levetiden for en neutron. Hvordan fungerer de?
- Flaske metode
I flaskemetoden kan neutroner væreforseglet i en vakuumflaske lavet af neutronsikkert materiale eller holdt af magnetfelter og tyngdekraften. De har ekstremt lav kinetisk energi og bevæger sig med en hastighed på flere meter i sekundet. De kaldes ultrakolde neutroner (UCN'er). Fysikere adskiller neutroner fra atomernes kerner, lægger dem i en flaske og tæller derefter, hvor mange af dem der er der efter et stykke tid. Som et resultat konkluderer forskere, at neutroner nedbrydes radioaktivt på gennemsnitligt 14 minutter og 39 sekunder.
- Ray metode
Strålingseksperimenter bruger maskinersom skaber neutronflux. Forskere måler antallet af neutroner i et bestemt volumen af strålen. De leder derefter strømmen gennem et magnetfelt ind i en partikelfælde dannet af de elektriske og magnetiske felter. Neutronerne henfalder i en fælde, hvor fysikere måler antallet af resterende protoner. I sådanne eksperimenter bestemmer de den gennemsnitlige neutronlevetid på 14 minutter og 48 sekunder.
resultater
Der er indtil videre syv resultaterflaskemålinger med høj præcision med forskellige indstillinger og kun to strålemålinger. I begge strålemålinger blev den samme metode brugt - Penning-fælden. Nedbrydningsproduktet, protoner, fanges af det og tælles af en velkalibreret detektor.
Selve Penning-fælden repræsentererer en enhed, der bruger et ensartet statisk magnetfelt og et rumligt inhomogent elektrisk felt til at lagre ladede partikler. Denne type fælde bruges ofte til at lave præcise målinger af egenskaberne af ioner og stabile subatomære partikler, der har en elektrisk ladning.
Der er ingen tvivl om, at der kræves flere eksperimenter til sammenligning og verifikation, ikke kun med strålen, men generelt.
Er der andre måder?
I strålemetoden bestemmer fysikere hvor megetneutroner gennemgår beta-henfald. Lad os huske på, at neutron-beta-henfald er den spontane transformation af en fri neutron til en proton med emission af en β-partikel (elektron) og en elektron-antineutrino.
Præcisionsmålinger af beta-henfaldsparametreneutron (levetid, vinkelkorrelationer mellem partikelmomenta og neutronspin) er vigtige for at bestemme egenskaberne for den svage interaktion. Dette er en grundlæggende interaktion, især ansvarlig for processerne af beta-henfald af atomkerner og svage henfald af elementære partikler, såvel som overtrædelser af lovene om bevarelse af rumlig og kombineret paritet i dem. Denne vekselvirkning kaldes svag, da de to andre vekselvirkninger, væsentlige for kernefysik og højenergifysik (stærk og elektromagnetisk), er karakteriseret ved meget større intensitet. Det er dog meget stærkere end den fjerde af de fundamentale interaktioner, gravitation.
Antineutrino påvisning er vanskelig.Verdens førende detektorer er ofte gigantiske og er målrettet mod en intens kilde til strøm som solen eller et atomkraftværk. Imidlertid sker der kun få begivenheder om et år. Så antineutrino hjælper ikke her.
Hvad med protonen?Indtil nu er alle resultater med den bedste nøjagtighed i strålemetoden opnået ved at registrere protoner. Nu er der aktivt arbejde i gang med at forbedre metoden. For eksempel er et moderniseret BL3-eksperiment under forberedelse i NIST, USA. Forskere ved J-PARC annoncerede for nylig deres foreløbige resultat for neutronlevetid ved at detektere beta-henfaldselektroner ved hjælp af et tidsprojektionskammer (TPC). Sådanne kamre er en kombination af drift og proportionale kamre. De er det mest alsidige instrument i højenergifysik, da de tillader en at opnå et tredimensionelt elektronisk billede af et spor med en sammenlignelig rumlig opløsning i alle tre koordinater. Arbejdet fra japanske forskere er en genoplivning af et eksperiment, der først blev foreslået af Kossakowski et al. I 1989. De arbejder nu på at forbedre dens nøjagtighed.
Efter årtiers indsats kan det antages, at alle mulige veje i strålemetoden bør undersøges nøje.
Eller er der flere muligheder?
Superfluid heliumtid
For nylig i sin artikel "Nyt eksperimentom en neutrons levetid med henfaldet af en stråle af kolde neutroner i superfluid helium-4,” offentliggjort i Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, foreslog Dr. Wanchun Wei en ny tilgang. Nemlig at bruge en superfluid helium-4 scintillator til at detektere henfaldsproduktet af en neutron - en elektron. Forfatteren til undersøgelsen modtog sin ph.d. i fysik fra Brown University, USA og afsluttede sit postdoktorale stipendium ved Los Alamos National Laboratory. Han arbejder i øjeblikket som forskningsingeniør ved Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, USA (Caltech).
Eksperiment ved UNCtau i Los Alamos ved hjælp af flaskemetoden til at måle neutronens levetid
Weis idé lyder usædvanlig, og her er hvorfor.
De fleste eksperimenter i livetneutroner udføres under højvakuumbetingelser for at udelukke neutronspredning på gaspartikler. En undtagelse er J-PARC-eksperimentet, hvor TPC kræver en arbejdsgas til at forstærke beta-henfaldsladningen for en elektron til en detekterbar strøm. Sofistikeret analyse er påkrævet for at identificere og eliminere baggrundshændelser forårsaget af spredte neutroner.
Den nye metode fungerer takket være fantastiskegenskaber af superfluid helium, kvantevæske. Det danner en makroskopisk kvantebølgefunktion, og det meste kondenseres til jordtilstanden. Elementære excitationer i en kvantevæske blev forudsagt af Landau i 1947 og bekræftet ved uelastisk neutronspredning.
Det særegne ved superfluid helium-4 er, at det flyder uden friktion over nogen overflade, strømmer gennem meget små porer og kun adlyder sin egen inerti.
Flydende helium er i en superflydende fase.Mens det forbliver superflydende, kryber det langs koppens væg i en tynd film. Det falder ned udefra og danner en dråbe, der falder ned i væsken nedenfor. Der dannes endnu en dråbe — og så videre, indtil koppen er tom
Hvis det er problematisk at føre en neutronstråle gennem en gas, hvorfor overveje en væske?
Ja, neutroner er spredt i superfluid helium,men kun på elementære ophidselser. Og betingelsen for bevarelse af energi og momentum skal være opfyldt. Cohen og Feynman viste i deres papir, der blev offentliggjort i 1957, at spredning ikke forekommer, hvis neutronbølgelængden overstiger 16,5 ångstrøm. Dette betyder, at neutroner med lav energi, langbølgelængde kan rejse gennem superfluid helium-4, som om det var et vakuum. Dette bekræfter igen forslaget om et nyt stråleeksperiment med en superfluid helium-4 scintillator.
Superfluid helium-4 som en scintillator
Den første scintillationsdetektor varen skærm dækket med et lag zinksulfid (ZnS). De blink, der opstod, da ladede partikler ramte det, blev registreret ved hjælp af et mikroskop. Det var med en sådan detektor, at Geiger og Marsden gennemførte et eksperiment med spredning af alfapartikler af guldatomer i 1909, hvilket førte til opdagelsen af atomkernen. Siden 1944 er lysblink fra scintillatoren blevet registreret af fotomultiplikatorrør (PMT'er). Senere blev fotodioder også brugt til disse formål.
Scintillatoren kan være organisk (krystaller, plast eller væsker) eller uorganisk (krystaller eller glas). Der anvendes også gasformige scintillatorer.
Superfluid helium-4 er godt undersøgt som kandidattil scintillationsdetektoren for neutrinoer og mørkt stof. Når ladede partikler med høj kinetisk energi kolliderer med superfluid helium-4, er heliumatomer ioniseret, exciteret og udsender scintillationslys. Processen er ret kompliceret, men generelt er antallet af udsendte fotoner lineært proportionalt med energien i den ladede partikel. Den frigivne elektron bærer kinetisk energi i området fra nul til 782 keV fra den frigivne kerneenergi i beta-henfald. Antallet af henfaldne neutroner kan således beregnes ud fra scintillationsfrekvensen.
I mellemtiden er det nødvendigt at kontrollere neutronfluxenpulserende stråle. Dette kan gøres med isotopen helium-3, der fanger en neutron, omdannes til en proton og en triton og frigiver 764 keV energi. Hastigheden af sådanne indfangningshændelser er proportional med strålefluxen. Disse begivenheder repræsenterer tilbageslag af kerner. Tværtimod er henfald donation af elektroner. Derfor har fangst- og henfaldshændelser et andet sæt signaturer i scintillationssignalet. I en øjeblikkelig glød producerer en optagelseshændelse langt færre fotoner pr. Enhed af energiinput end en henfaldshændelse. Indfangningsbegivenheden har et kort stopområde på snesevis af mikroner, mens henfaldshændelsen har et langt spor på op til 2 cm. Analogt set ligner den ene en supernova og den anden som en meteor. Derudover har de en tydelig adfærd i nedbrydningshastigheden af vedholdenheden.
Ultimativ nøjagtighed
Nøglen til at løse mysteriet om neutronens levetid er høj nøjagtighed. Det nye eksperiment giver kun mening, hvis nøjagtigheden kan nå 0,1% eller mindre end 1 sekund.
Det er næsten umuligt at registrere allebeta-henfaldselektroner, fordi nogle af dem har for lav energi til at opnå tilstrækkeligt scintillationslys. Men der er en vej ud. På den ene side vil den foreslåede detektor tilvejebringe positionsopløsning langs stråleaksen. Kun begivenheder i det centrale område vil blive brugt til meget nøjagtig dataanalyse. På den anden side kan du samle så meget lys som muligt. Detektoren er designet til at dække mere end 96% af den faste hændelsesvinkel i det centrale område, så energien fra beta-nedbrydningselektroner kan genvindes nøjagtigt. Et stort antal af disse begivenheder udgør det nøjagtige β-henfaldsspektrum, hvilket er godt beskrevet af Fermi-teorien. Den nederste del af spektret mangler muligvis på grund af lavt flimmer.
Derudover er undertrykkelse af baggrundshændelser vigtig,især relateret til spredte neutroner. Fraværet af spredning af en neutronstråle af superfluid helium er allerede en god start. Alle parasitære neutroner spredt fra volumenvinduerne bliver fanget af neutronabsorbenter, der omgiver detektoren for at minimere neutronaktivering.
Detektoren vil også se Comptonbegivenheder forårsaget af øjeblikkelig emission af gammastråling under indfangning af neutroner ved indgangs- og udgangsvinduerne. Det vises som to lyse bursts i en tidssekvens og kan bruges som en tids- og intensitetsreference til at rekonstruere positionen af signalhændelser, kalibrere detektoren og karakterisere strålens spektrum.
Hvad er bundlinjen?
Denne nye metode er fundamentalt forskellig fraeksisterende stråleeksperimenter. Kræver ikke et stærkt magnetfelt. Den bruger en pulserende stråle med neutroner med meget lavere energi. Og superfluid heliumscintillationsdetektoren tilbyder et klart sæt systematiske effekter. Der er selvfølgelig mange tekniske vanskeligheder at løse. I sin artikel, der beskriver den nye tilgang, sagde Wei, en eksperimentator i undersøgelsen af partikler i superfluid helium, at han var overbevist om, at den nye idé i sidste ende ville hjælpe med at løse mysteriet om neutronlevetiden og give nye muligheder for at opdage ny fysik.
Læs mere
Fundet en ny slags sort hul, der ikke passer ind i relativitetsteorien
Abort og videnskab: hvad vil der ske med de børn, der føder
Forskere har udviklet en erstatning for relativitetsteorien. Hvad er essensen af "teorien om alt"?
Høj præcision
US National Institute of Standards and Technology
J-PARC - protonaccelerator kompleks tilbehov for højenergifysik, hadronisk og neutrinofysik, materialevidenskab. Beliggende nær Tokai, Japan, et fælles projekt fra KEK National High Energy Physics Laboratory og JAEA atomenergibureau.
Angstrom er en ikke-systemisk længdeenhedsenhed svarende til 10⁻¹⁰ m. Den er opkaldt efter den svenske fysiker og astronom Anders Angstrom, der foreslog den i 1868.
Compton-effekt (Compton-effekt,Compton-spredning) - usammenhængende spredning af fotoner ved frielektroner betyder inkohærens, at fotoner før og efter spredning ikke forstyrrer. Effekten ledsages af en ændring i frekvensen af fotoner, hvor en del af energien overføres til elektroner efter spredning.
En solid vinkel er en del af rummet, hvilket er foreningen af alle stråler, der stammer fra et givet punkt (toppevinkel) og skærer en overflade (som kaldes overfladen,indsnævringgivet rumvinkel). Særlige tilfælde af solide vinkler er triedriske og polyedriske vinkler. Grænsen for en massiv vinkel er en bestemt konisk overflade.
Teoretisk beskrivelse af beta-henfald af kernerblev udviklet af fysikeren Enrico Fermi, der introducerede det vigtigste kendetegn - Fermi-koblingskonstanten GFGF. Det hjælper med at bestemme den absolutte værdi af kernernes levetid i forhold til beta-henfald. Samtidig beregnede E. Fermi formen af beta-spektret af henfaldselektroner i det enkleste tilfælde af tilladte beta-overgange (den såkaldte Fermi-form af beta-spektret).
Beta-henfald er opdelt i overgange af Fermi-typen, hvor de udgående leptons spins er antiparallelle, og Gamow-Teller-typen, hvor de udgående leptons spins er parallelle.
En elektronvolt er en off-system enhed af energi, der anvendes i atom- og nuklearfysik, i elementær partikelfysik og i nært beslægtede og beslægtede videnskabsfelter.