Wie lange lebt ein Neutron?
Die Neutronenlebensdauer ist so grundlegend und wichtig zu verstehen
Der Unterschied von 8-9 Sekunden ist viermal größerMessfehler von zwei Sekunden. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie einer Meinung sind, liegt bei etwa 60 zu 1 Million, was praktisch unmöglich ist. Diese Sekunden bilden das Geheimnis der Neutronenlebensdauer.
Zwei Methoden, zwei Ergebnisse
Daher verwendeten Wissenschaftler zwei Methoden, um die Lebensdauer eines Neutrons zu bestimmen. Wie arbeiten Sie?
- Flaschenmethode
Bei der Flaschenmethode können Neutronen seinversiegelt in einer Vakuumflasche aus neutronensicherem Material oder gehalten durch Magnetfelder und Schwerkraft. Sie haben eine extrem niedrige kinetische Energie und bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde. Sie werden als ultrakalte Neutronen (UCNs) bezeichnet. Physiker trennen Neutronen von den Atomkernen, füllen sie in eine Flasche und zählen dann, wie viele von ihnen nach einer Weile dort bleiben. Die Wissenschaftler schließen daraus, dass Neutronen in durchschnittlich 14 Minuten und 39 Sekunden radioaktiv zerfallen.
- Ray-Methode
Strahlungsexperimente nutzen Maschinendie Neutronenflüsse erzeugen. Wissenschaftler messen die Anzahl der Neutronen in einem bestimmten Volumen des Strahls. Anschließend leiten sie den Fluss durch ein Magnetfeld in eine Partikelfalle, die durch das elektrische und magnetische Feld gebildet wird. Die Neutronen zerfallen in einer Falle, in der Physiker die Anzahl der verbleibenden Protonen messen. In solchen Experimenten ermitteln sie die durchschnittliche Neutronenlebensdauer mit 14 Minuten und 48 Sekunden.
Ergebnisse
Bisher gibt es sieben Ergebnissehochpräzise Flaschenmessungen mit unterschiedlichen Einstellungen und nur zwei Strahlmessungen. Bei beiden Strahlmessungen wurde dieselbe Methode angewendet - die Penningfalle. Das Zerfallsprodukt Protonen wird von ihm eingefangen und von einem gut kalibrierten Detektor gezählt.
Die Penning-Falle selbst stellt darist ein Gerät, das ein gleichmäßiges statisches Magnetfeld und ein räumlich inhomogenes elektrisches Feld zur Speicherung geladener Teilchen nutzt. Diese Art von Falle wird häufig verwendet, um die Eigenschaften von Ionen und stabilen subatomaren Teilchen mit elektrischer Ladung präzise zu messen.
Es besteht kein Zweifel, dass mehr Experimente zum Vergleich und zur Verifizierung erforderlich sind, nicht nur mit dem Strahl, sondern im Allgemeinen.
Gibt es andere Möglichkeiten?
Bei der Strahlmethode bestimmen Physiker, wie vielNeutronen unterliegen einem Betazerfall. Erinnern wir uns daran, dass der Betazerfall eines Neutrons die spontane Umwandlung eines freien Neutrons in ein Proton unter Emission eines β-Teilchens (Elektron) und eines Elektron-Antineutrinos ist.
Präzisionsmessungen von Beta-ZerfallsparameternNeutronen (Lebensdauer, Winkelkorrelationen zwischen Teilchenimpulsen und Neutronenspin) sind wichtig für die Bestimmung der Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung. Hierbei handelt es sich um eine grundlegende Wechselwirkung, die insbesondere für die Prozesse des Betazerfalls von Atomkernen und schwachen Zerfällen von Elementarteilchen sowie für Verletzungen der Gesetze zur Erhaltung der räumlichen und kombinierten Parität in ihnen verantwortlich ist. Diese Wechselwirkung wird als schwach bezeichnet, da die beiden anderen Wechselwirkungen, die für die Kernphysik und die Hochenergiephysik von Bedeutung sind (stark und elektromagnetisch), durch eine viel größere Intensität gekennzeichnet sind. Allerdings ist sie viel stärker als die vierte der fundamentalen Wechselwirkungen, die Gravitation.
Der Nachweis von Antineutrino ist schwierig.Die weltweit führenden Detektoren sind oft gigantisch und zielen auf eine intensive Flussquelle wie die Sonne oder ein Kernkraftwerk. In einem Jahr finden jedoch nur wenige Ereignisse statt. Antineutrino hilft hier also nicht weiter.
Was ist mit dem Proton?Bisher wurden alle Ergebnisse mit der besten Genauigkeit der Strahlenmethode durch Registrierung von Protonen erzielt. Jetzt wird aktiv daran gearbeitet, die Methode zu verbessern. Beispielsweise wird in NIST, USA, ein modernisiertes BL3-Experiment vorbereitet. Forscher von J-PARC gaben kürzlich ihr vorläufiges Ergebnis der Neutronenlebensdauer bekannt, indem sie Beta-Zerfallselektronen mithilfe einer Zeitprojektionskammer (TPC) detektierten. Solche Kammern sind eine Kombination aus Drift- und Proportional-Kammern. Sie sind das vielseitigste Instrument in der Hochenergiephysik, da sie es ermöglichen, ein dreidimensionales elektronisches Bild einer Spur mit einer vergleichbaren räumlichen Auflösung in allen drei Koordinaten zu erhalten. Die Arbeit japanischer Wissenschaftler ist eine Wiederbelebung eines Experiments, das 1989 erstmals von Kossakowski et al. Vorgeschlagen wurde. Sie arbeiten jetzt daran, die Genauigkeit zu verbessern.
Nach jahrzehntelanger Anstrengung kann davon ausgegangen werden, dass alle möglichen Wege der Strahlenmethode sorgfältig untersucht werden sollten.
Oder gibt es mehr Möglichkeiten?
Superfluide Heliumzeit
Kürzlich veröffentlichte er in seinem Artikel „Neues Experimentüber die Lebensdauer eines Neutrons beim Zerfall eines Strahls kalter Neutronen in superflüssigem Helium-4“, veröffentlicht im Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, schlug Dr. Wanchun Wei einen neuen Ansatz vor. Nämlich, einen supraflüssigen Helium-4-Szintillator zu verwenden, um das Zerfallsprodukt eines Neutrons – ein Elektron – nachzuweisen. Der Autor der Studie erhielt seinen Doktortitel in Physik von der Brown University, USA, und absolvierte sein Postdoktorandenstipendium am Los Alamos National Laboratory. Derzeit arbeitet er als Forschungsingenieur am Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, USA (Caltech).
Experimentieren Sie am UNCtau in Los Alamos mit der Flaschenmethode, um die Neutronenlebensdauer zu messen
Wei's Idee klingt ungewöhnlich und hier ist der Grund.
Die meisten LebenszeitversucheNeutronen werden unter Hochvakuumbedingungen durchgeführt, um eine Neutronenstreuung an Gaspartikeln auszuschließen. Eine Ausnahme bildet das J-PARC-Experiment, bei dem die TPC ein Arbeitsgas benötigt, um die Beta-Zerfallsladung eines Elektrons auf einen nachweisbaren Strom zu verstärken. Eine ausgefeilte Analyse ist erforderlich, um Hintergrundereignisse zu identifizieren und zu eliminieren, die durch gestreute Neutronen verursacht werden.
Die neue Methode wird dank erstaunlich funktionierenEigenschaften von superfluidem Helium, Quantenflüssigkeit. Es bildet eine makroskopische Quantenwellenfunktion und kondensiert größtenteils im Grundzustand. Elementare Anregungen in einer Quantenflüssigkeit wurden 1947 von Landau vorhergesagt und durch inelastische Neutronenstreuung bestätigt.
Die Besonderheit von superfluidem Helium-4 besteht darin, dass es reibungslos über eine Oberfläche fließt, durch sehr kleine Poren fließt und nur seiner eigenen Trägheit gehorcht.
Flüssiges Helium befindet sich in einer supraflüssigen Phase.Während es superflüssig bleibt, kriecht es in einem dünnen Film entlang der Wand des Bechers. Es fällt von außen herab und bildet einen Tropfen, der in die darunter liegende Flüssigkeit fällt. Es bildet sich ein weiterer Tropfen — und so weiter, bis die Tasse leer ist
Wenn es problematisch ist, einen Neutronenstrahl durch ein Gas zu leiten, warum sollte man dann eine Flüssigkeit in Betracht ziehen?
Ja, Neutronen sind in superfluidem Helium gestreut.aber nur bei elementaren Anregungen. Und die Bedingung der Energie- und Impulserhaltung muss erfüllt sein. Cohen und Feynman zeigten in ihrer 1957 veröffentlichten Arbeit, dass Streuung nicht auftritt, wenn die Neutronenwellenlänge 16,5 Angström überschreitet. Dies bedeutet, dass niederenergetische Neutronen mit niedriger Energie durch superfluides Helium-4 wandern können, als wäre es ein Vakuum. Dies bestätigt wiederum den Vorschlag für ein neues Strahlenexperiment mit einem superfluiden Helium-4-Szintillator.
Superfluides Helium-4 als Szintillator
Der erste Szintillationsdetektor warein Sieb, das mit einer Schicht Zinksulfid (ZnS) bedeckt ist. Die Blitze, die auftraten, als geladene Teilchen darauf trafen, wurden unter Verwendung eines Mikroskops aufgezeichnet. Mit einem solchen Detektor führten Geiger und Marsden 1909 ein Experiment zur Streuung von Alpha-Partikeln durch Goldatome durch, das zur Entdeckung des Atomkerns führte. Seit 1944 werden Lichtblitze vom Szintillator mit Fotovervielfacherröhren (PMTs) aufgezeichnet. Später wurden auch Fotodioden für diese Zwecke verwendet.
Der Szintillator kann organisch (Kristalle, Kunststoffe oder Flüssigkeiten) oder anorganisch (Kristalle oder Gläser) sein. Es werden auch gasförmige Szintillatoren verwendet.
Superfluides Helium-4 ist als Kandidat gut untersuchtzum Szintillationsdetektor von Neutrinos und dunkler Materie. Wenn geladene Teilchen mit hoher kinetischer Energie mit superfluidem Helium-4 kollidieren, werden die Heliumatome ionisiert, angeregt und emittieren Szintillationslicht. Der Prozess ist ziemlich kompliziert, aber im Allgemeinen ist die Anzahl der emittierten Photonen linear proportional zur Energie des geladenen Teilchens. Das freigesetzte Elektron trägt kinetische Energie im Bereich von null bis 782 keV von der freigesetzten Kernenergie im Beta-Zerfall. Somit kann die Anzahl der zerfallenen Neutronen aus der Szintillationsfrequenz berechnet werden.
In der Zwischenzeit muss der Neutronenfluss gesteuert werdengepulster Strahl. Dies kann mit dem Isotop Helium-3 erfolgen, das ein Neutron einfängt, sich in ein Proton und ein Triton umwandelt und 764 keV Energie freisetzt. Die Rate solcher Erfassungsereignisse ist proportional zum Strahlfluss. Diese Ereignisse stellen den Rückschlag von Kernen dar. Im Gegenteil, Zerfall ist die Abgabe von Elektronen. Daher haben Erfassungs- und Abklingereignisse unterschiedliche Signaturen im Szintillationssignal. In einem sofortigen Glühen erzeugt ein Einfangereignis weit weniger Photonen pro Energieeintragseinheit als ein Zerfallsereignis. Das Einfangereignis hat einen kurzen Stoppbereich von mehreren zehn Mikrometern, während das Zerfallsereignis eine lange Spur von bis zu 2 cm aufweist. Analog sieht eine wie eine Supernova und die andere wie ein Meteor aus. Darüber hinaus haben sie ein ausgeprägtes Verhalten in der Zerfallsrate der Persistenz.
Ultimative Genauigkeit
Der Schlüssel zur Lösung des Rätsels der Neutronenlebensdauer ist die hohe Genauigkeit. Das neue Experiment ist nur dann sinnvoll, wenn die Genauigkeit 0,1% oder weniger als 1 Sekunde erreichen kann.
Es ist fast unmöglich, alle zu registrierenBeta-Zerfallselektronen, weil einige von ihnen eine zu niedrige Energie haben, um ein angemessenes Szintillationslicht zu erhalten. Aber es gibt einen Ausweg. Einerseits liefert der vorgeschlagene Detektor eine Positionsauflösung entlang der Strahlachse. Nur Ereignisse im zentralen Bereich werden für eine hochpräzise Datenanalyse verwendet. Auf der anderen Seite können Sie so viel Licht wie möglich sammeln. Der Detektor ist so ausgelegt, dass er mehr als 96% des Raumwinkels der Ereignisse im zentralen Bereich abdeckt, sodass die Energie der Beta-Zerfallselektronen genau zurückgewonnen werden kann. Eine große Anzahl dieser Ereignisse bildet das genaue β-Zerfallsspektrum, das durch die Fermi-Theorie gut beschrieben wird. Der untere Teil des Spektrums kann aufgrund eines geringen Flimmerns fehlen.
Darüber hinaus ist die Unterdrückung von Hintergrundereignissen wichtig,insbesondere im Zusammenhang mit gestreuten Neutronen. Das Fehlen einer Streuung eines Neutronenstrahls durch superfluides Helium ist bereits ein guter Anfang. Alle von den Volumenfenstern gestreuten parasitären Neutronen werden von Neutronenabsorbern erfasst, die den Detektor umgeben, um die Neutronenaktivierung zu minimieren.
Der Detektor sieht auch ComptonEreignisse, die durch die sofortige Emission von Gammastrahlung während des Einfangens von Neutronen an den Eingangs- und Ausgangsfenstern verursacht werden. Es erscheint als zwei helle Bursts in einer Zeitsequenz und kann als Zeit- und Intensitätsreferenz verwendet werden, um die Position von Signalereignissen zu rekonstruieren, den Detektor zu kalibrieren und das Spektrum des Strahls zu charakterisieren.
Was ist das Endergebnis?
Diese neue Methode unterscheidet sich grundlegend vonbestehende Strahlenversuche. Benötigt kein starkes Magnetfeld. Es verwendet einen gepulsten Strahl mit viel niederenergetischen Neutronen. Und der Superfluid-Helium-Szintillationsdetektor bietet eine Reihe systematischer Effekte. Natürlich sind viele technische Schwierigkeiten zu überwinden. In seinem Artikel, der den neuen Ansatz beschreibt, sagte Wei, ein Experimentator bei der Untersuchung von Teilchen in superfluidem Helium, er sei zuversichtlich, dass die neue Idee letztendlich dazu beitragen werde, das Rätsel der Neutronenlebensdauer zu lösen und neue Möglichkeiten für die Entdeckung neuer Physik zu bieten.
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Hohe Präzision
US Nationales Institut für Standards und Technologie
J-PARC - Protonenbeschleunigerkomplex fürBedürfnisse der Hochenergiephysik, Hadronen- und Neutrinophysik, Materialwissenschaften. In der Nähe von Tokai, Japan, ein gemeinsames Projekt des KEK National High Energy Physics Laboratory und der JAEA Atomic Energy Agency.
Angstrom ist eine nicht systemische Längeneinheit von 10 length¹⁻ m. Sie ist nach dem schwedischen Physiker und Astronomen Anders Angstrom benannt, der sie 1868 vorschlug.
Compton-Effekt (Compton-Effekt,Compton-Streuung) - inkohärente Streuung von Photonen durch freieElektronen, Inkohärenz bedeutet, dass Photonen vor und nach der Streuung nicht interferieren. Der Effekt geht mit einer Änderung der Frequenz von Photonen einher, deren Energie nach der Streuung teilweise auf Elektronen übertragen wird.
Ein Raumwinkel ist ein Teil des Raums, der die Vereinigung aller Strahlen darstellt, die von einem bestimmten Punkt ausgehen (SpitzenWinkel) und eine Fläche schneiden (die Fläche genannt wird,einschnürengegebener Raumwinkel). Sonderfälle von Raumwinkeln sind Drei- und Mehrflächenwinkel. Die Grenze eines Raumwinkels ist eine bestimmte Kegelfläche.
Theoretische Beschreibung des Beta-Zerfalls von Kernenwurde vom Physiker Enrico Fermi entwickelt, der das wichtigste Merkmal einführte - die Fermi-Kopplungskonstante GFGF. Es hilft, den absoluten Wert der Lebensdauer von Kernen in Bezug auf den Beta-Zerfall zu bestimmen. Gleichzeitig berechnete E. Fermi die Form des Beta-Spektrums zerfallender Elektronen im einfachsten Fall zulässiger Beta-Übergänge (die sogenannte Fermi-Form des Beta-Spektrums).
Beta-Zerfälle werden in Übergänge vom Fermi-Typ unterteilt, bei denen die Spins der ausgehenden Leptonen antiparallel sind, und den Gamow-Teller-Typ, bei dem die ausgehenden Lepton-Spins parallel sind.
Ein Elektronenvolt ist eine Off-System-Energieeinheit, die in der Atom- und Kernphysik, in der Elementarteilchenphysik und in eng verwandten und verwandten Bereichen der Wissenschaft verwendet wird.