Πόσο καιρό ζει ένα νετρόνιο;
Η διάρκεια ζωής των νετρονίων είναι τόσο θεμελιώδης και σημαντικό να κατανοηθεί
Η διαφορά των 8-9 δευτερολέπτων είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερησφάλμα μέτρησης δύο δευτερολέπτων. Η πιθανότητα να συμφωνήσουν μεταξύ τους είναι περίπου 60 στο 1 εκατομμύριο, πράγμα πρακτικά αδύνατο. Αυτά τα δευτερόλεπτα αποτελούν το μυστήριο της διάρκειας ζωής των νετρονίων.
Δύο μέθοδοι, δύο αποτελέσματα
Έτσι, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν δύο μεθόδους για τον προσδιορισμό της ζωής ενός νετρονίου. Πώς λειτουργούν;
- Μέθοδος φιάλης
Στη μέθοδο φιάλης, τα νετρόνια μπορεί να είναισφραγισμένο σε φιάλη κενού από υλικό που είναι ασφαλές για νετρόνια ή συγκρατείται από μαγνητικά πεδία και βαρύτητα Έχουν εξαιρετικά χαμηλή κινητική ενέργεια και κινούνται με ταχύτητα αρκετών μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Ονομάζονται υπερ-ψυχρά νετρόνια (UCN). Οι φυσικοί διαχωρίζουν τα νετρόνια από τους ατομικούς πυρήνες, τα βάζουν σε ένα μπουκάλι και στη συνέχεια μετράνε πόσα από αυτά παραμένουν εκεί μετά από λίγο. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες συμπεραίνουν ότι τα νετρόνια αποσυντίθενται ραδιενεργά σε μέσο όρο 14 λεπτών και 39 δευτερολέπτων.
- Μέθοδος Ray
Τα πειράματα ακτινοβολίας χρησιμοποιούν μηχανέςπου δημιουργούν ροές νετρονίων. Οι επιστήμονες μετρούν τον αριθμό των νετρονίων σε έναν ορισμένο όγκο της δέσμης. Στη συνέχεια κατευθύνουν τη ροή μέσω ενός μαγνητικού πεδίου σε μια παγίδα σωματιδίων που σχηματίζεται από τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Τα νετρόνια διασπώνται σε μια παγίδα, όπου οι φυσικοί μετρούν τον αριθμό των πρωτονίων που απομένουν. Σε τέτοια πειράματα, προσδιορίζουν τη μέση διάρκεια ζωής νετρονίων σε 14 λεπτά 48 δευτερόλεπτα.
Αποτελέσματα
Υπάρχουν επτά αποτελέσματα μέχρι στιγμήςμετρήσεις φιάλης υψηλής ακρίβειας με διαφορετικές ρυθμίσεις και μόνο δύο - μετρήσεις δέσμης. Και στις δύο μετρήσεις δέσμης, χρησιμοποιήθηκε η ίδια μέθοδος - η παγίδα Penning. Το προϊόν αποσύνθεσης, πρωτόνια, συλλαμβάνεται από αυτό και μετράται από έναν καλά βαθμονομημένο ανιχνευτή.
Η ίδια η παγίδα Penning αντιπροσωπεύειείναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί ένα ομοιόμορφο στατικό μαγνητικό πεδίο και ένα χωρικά ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο για την αποθήκευση φορτισμένων σωματιδίων. Αυτός ο τύπος παγίδας χρησιμοποιείται συχνά για να γίνουν ακριβείς μετρήσεις των ιδιοτήτων των ιόντων και των σταθερών υποατομικών σωματιδίων που έχουν ηλεκτρικό φορτίο.
Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι απαιτούνται περισσότερα πειράματα για σύγκριση και επαλήθευση, όχι μόνο με τη δέσμη, αλλά γενικά.
Υπάρχουν άλλοι τρόποι;
Στη μέθοδο δέσμης, οι φυσικοί καθορίζουν πόσοτα νετρόνια υφίστανται βήτα διάσπαση. Ας θυμηθούμε ότι η διάσπαση βήτα νετρονίων είναι ο αυθόρμητος μετασχηματισμός ενός ελεύθερου νετρονίου σε πρωτόνιο με την εκπομπή ενός σωματιδίου β (ηλεκτρόνιο) και ενός αντινετρίνου ηλεκτρονίου.
Μετρήσεις ακριβείας των παραμέτρων διάσπασης βήτανετρόνιο (διάρκεια ζωής, γωνιακές συσχετίσεις μεταξύ της ορμής των σωματιδίων και του σπιν νετρονίων) είναι σημαντικά για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Αυτή είναι μια θεμελιώδης αλληλεπίδραση, υπεύθυνη ιδίως για τις διαδικασίες βήτα διάσπασης των ατομικών πυρήνων και αδύναμων διασπάσεων στοιχειωδών σωματιδίων, καθώς και για παραβιάσεις των νόμων διατήρησης της χωρικής και συνδυασμένης ισοτιμίας σε αυτά. Αυτή η αλληλεπίδραση ονομάζεται ασθενής, καθώς οι άλλες δύο αλληλεπιδράσεις, σημαντικές για την πυρηνική φυσική και τη φυσική υψηλής ενέργειας (ισχυρή και ηλεκτρομαγνητική), χαρακτηρίζονται από πολύ μεγαλύτερη ένταση. Ωστόσο, είναι πολύ ισχυρότερο από την τέταρτη από τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, τη βαρυτική.
Είναι δύσκολο να εντοπιστούν τα αντινετρίνα.Οι κορυφαίοι ανιχνευτές στον κόσμο είναι συχνά γιγαντιαίοι και στοχεύουν μια έντονη πηγή ροής όπως ο Ήλιος ή ένας πυρηνικός σταθμός παραγωγής ενέργειας. Ταυτόχρονα, μόνο λίγα γεγονότα συμβαίνουν σε ένα χρόνο. Έτσι, το αντινετρίνο δεν θα βοηθήσει εδώ.
Τι γίνεται με το πρωτόνιο;Μέχρι τώρα, όλα τα αποτελέσματα με την καλύτερη ακρίβεια στη μέθοδο ακτίνων έχουν ληφθεί με καταχώριση πρωτονίων. Επί του παρόντος, η ενεργή εργασία βρίσκεται σε εξέλιξη για τη βελτίωση της μεθόδου. Για παράδειγμα, ένα εκσυγχρονισμένο πείραμα BL3 βρίσκεται υπό προετοιμασία στο NIST των ΗΠΑ. Οι ερευνητές στο J-PARC ανακοίνωσαν πρόσφατα το προκαταρκτικό τους αποτέλεσμα για τη διάρκεια ζωής των νετρονίων ανιχνεύοντας βήτα ηλεκτρόνια αποσύνθεσης χρησιμοποιώντας έναν θάλαμο προβολής χρόνου (TPC). Τέτοιοι θάλαμοι είναι ένας συνδυασμός παρασυρόμενων και αναλογικών θαλάμων. Είναι το πιο ευέλικτο όργανο στη φυσική υψηλής ενέργειας, καθώς επιτρέπουν σε κάποιον να αποκτήσει μια τρισδιάστατη ηλεκτρονική εικόνα ενός κομματιού με συγκρίσιμη χωρική ανάλυση και στις τρεις συντεταγμένες. Το έργο των Ιαπώνων επιστημόνων είναι η αναβίωση ενός πειράματος που προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Kossakowski et al. Το 1989. Εργάζονται τώρα για να βελτιώσουν την ακρίβειά του.
Μετά από δεκαετίες προσπάθειας, μπορεί να θεωρηθεί ότι όλες οι πιθανές οδοί της μεθόδου ακτίνων πρέπει να διερευνηθούν προσεκτικά.
Ή υπάρχουν περισσότερες επιλογές;
Χρόνος ηλίου υπερρευστού
Πρόσφατα, στο άρθρο του «Νέο πείραμασχετικά με τη διάρκεια ζωής ενός νετρονίου με τη διάσπαση μιας δέσμης ψυχρών νετρονίων σε υπερρευστό ήλιο-4», που δημοσιεύτηκε στο Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, ο Δρ Wanchun Wei πρότεινε μια νέα προσέγγιση. Δηλαδή, να χρησιμοποιήσουμε έναν υπερρευστό σπινθηριστή ηλίου-4 για να ανιχνεύσουμε το προϊόν διάσπασης ενός νετρονίου — ενός ηλεκτρονίου. Ο συγγραφέας της μελέτης έλαβε το διδακτορικό του στη φυσική από το Πανεπιστήμιο Brown των ΗΠΑ και ολοκλήρωσε τη μεταδιδακτορική του υποτροφία στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος. Σήμερα εργάζεται ως ερευνητής μηχανικός στο Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, ΗΠΑ (Caltech).
Πειραματιστείτε στο UNCtau στο Los Alamos χρησιμοποιώντας τη μέθοδο φιάλης για τη μέτρηση της διάρκειας ζωής των νετρονίων
Η ιδέα του Wei ακούγεται ασυνήθιστη, και εδώ γιατί
Τα περισσότερα πειράματα διάρκειας ζωήςΤα νετρόνια εκτελούνται υπό υψηλό κενό προκειμένου να αποκλειστεί η διασπορά των νετρονίων σε σωματίδια αερίου. Εξαίρεση αποτελεί το πείραμα J-PARC, όπου το TPC απαιτεί ένα αέριο εργασίας για την ενίσχυση της φόρτισης βήτα αποσύνθεσης ενός ηλεκτρονίου σε ένα ανιχνεύσιμο ρεύμα. Απαιτείται προηγμένη ανάλυση για τον εντοπισμό και την εξάλειψη των γεγονότων στο παρασκήνιο που προκαλούνται από διάσπαρτα νετρόνια.
Η νέα μέθοδος θα λειτουργήσει χάρη στην καταπληκτικήιδιότητες του υπερρευστού ηλίου, κβαντικού υγρού. Σχηματίζει μια μακροσκοπική συνάρτηση κβαντικών κυμάτων και το μεγαλύτερο μέρος συμπυκνώνεται στην κατάσταση του εδάφους. Οι στοιχειώδεις διεγέρσεις σε ένα κβαντικό υγρό προβλέφθηκαν από τον Landau το 1947 και επιβεβαιώθηκαν με ανελαστική σκέδαση νετρονίων.
Η ιδιαιτερότητα του υπερρευστού ηλίου-4 είναι ότι ρέει χωρίς τριβή σε οποιαδήποτε επιφάνεια, ρέει σε πολύ μικρούς πόρους, υπακούοντας μόνο στη δική του αδράνεια.
Το υγρό ήλιο βρίσκεται σε υπερρευστή φάση.Ενώ παραμένει υπερρευστό, σέρνεται κατά μήκος του τοιχώματος του κυπέλλου σε μια λεπτή μεμβράνη. Πέφτει προς τα έξω, σχηματίζοντας μια σταγόνα που θα πέσει στο υγρό από κάτω. Μια άλλη πτώση θα σχηματιστεί — και ούτω καθεξής μέχρι να αδειάσει το φλιτζάνι
Εάν η διέλευση μιας δέσμης νετρονίων μέσω ενός αερίου είναι προβληματική, γιατί θεωρείτε ένα υγρό;
Ναι, τα νετρόνια είναι διασκορπισμένα σε υπερρευστό ήλιο,αλλά μόνο σε στοιχειώδεις ενθουσιασμούς. Και πρέπει να πληρούνται οι προϋποθέσεις διατήρησης της ενέργειας και της ορμής. Οι Cohen και Feynman έδειξαν στο άρθρο τους που δημοσιεύθηκε το 1957 ότι η σκέδαση δεν συμβαίνει εάν το μήκος κύματος των νετρονίων υπερβαίνει τα 16,5 angstroms. Αυτό σημαίνει ότι τα νετρόνια χαμηλής ενέργειας και μεγάλου μήκους κύματος μπορούν να διεισδύσουν στο υπερ-ρευστό ήλιο-4 σαν να ήταν κενό. Με τη σειρά του, αυτό επιβεβαιώνει την πρόταση για ένα νέο πείραμα δέσμης με σπινθηριστή υπερ-ρευστού ηλίου-4.
Superfluid ήλιο-4 ως σπινθηριστής
Ο πρώτος ανιχνευτής σπινθηρισμού ήτανμια οθόνη καλυμμένη με ένα στρώμα θειούχου ψευδαργύρου (ZnS). Οι αναβοσβήνει που εμφανίστηκαν όταν τα φορτισμένα σωματίδια χτυπήθηκαν καταγράφηκαν χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο Ήταν με έναν τέτοιο ανιχνευτή που ο Geiger και ο Marsden πραγματοποίησαν ένα πείραμα για τη διασπορά σωματιδίων άλφα από άτομα χρυσού το 1909, το οποίο οδήγησε στην ανακάλυψη του ατομικού πυρήνα. Από το 1944, οι φωτεινές αναλαμπές από το σπινθηριστή έχουν καταγραφεί από φωτοπολλαπλασιαστικούς σωλήνες (PMTs). Αργότερα, φωτοδιόδους χρησιμοποιήθηκαν επίσης για αυτούς τους σκοπούς.
Ο σπινθηριστής μπορεί να είναι οργανικός (κρύσταλλοι, πλαστικά ή υγρά) ή ανόργανος (κρύσταλλοι ή ποτήρια). Χρησιμοποιούνται επίσης αέριοι σπινθηριστές.
Το υπερ-ρευστό ήλιο-4 μελετάται καλά ως υποψήφιοςστον ανιχνευτή σπινθηρισμού νετρίνων και σκοτεινής ύλης. Όταν φορτισμένα σωματίδια με υψηλή κινητική ενέργεια συγκρούονται με υπερ-ρευστό ήλιο-4, τα άτομα ηλίου ιονίζονται, διεγείρουν και εκπέμπουν φως σπινθηρισμού. Η διαδικασία είναι αρκετά περίπλοκη, αλλά γενικά, ο αριθμός των εκπεμπόμενων φωτονίων είναι γραμμικά ανάλογος με την ενέργεια του φορτισμένου σωματιδίου. Το απελευθερούμενο ηλεκτρόνιο μεταφέρει κινητική ενέργεια στο εύρος από μηδέν έως 782 keV από την απελευθερούμενη πυρηνική ενέργεια σε βήτα αποσύνθεση. Έτσι, ο αριθμός των αποσυντεθειμένων νετρονίων μπορεί να υπολογιστεί από τη συχνότητα σπινθηρισμού.
Εν τω μεταξύ, είναι απαραίτητο να ελέγχεται η ροή νετρονίωνπαλμική δέσμη. Αυτό μπορεί να γίνει με το ισότοπο ήλιο-3, το οποίο συλλαμβάνει ένα νετρόνιο, μετατρέπεται σε πρωτόνιο και τρίτον και απελευθερώνει 764 keV ενέργειας. Ο ρυθμός τέτοιων γεγονότων σύλληψης είναι ανάλογος με τη ροή δέσμης. Αυτά τα γεγονότα αντιπροσωπεύουν την εκκίνηση των πυρήνων. Αντιθέτως, η αποσύνθεση είναι η δωρεά ηλεκτρονίων. Κατά συνέπεια, τα γεγονότα σύλληψης και εξασθένισης έχουν ένα διαφορετικό σύνολο υπογραφών στο σήμα σπινθηρισμού. Σε μια στιγμιαία λάμψη, ένα συμβάν σύλληψης παράγει πολύ λιγότερα φωτόνια ανά μονάδα εισόδου ενέργειας από ένα συμβάν αποσύνθεσης. Το συμβάν σύλληψης έχει ένα μικρό εύρος στάσεων δεκάδων μικρών, ενώ το συμβάν αποσύνθεσης έχει ένα μακρύ ίχνος έως 2 εκ. Αναλογικά, το ένα μοιάζει με σουπερνόβα και το άλλο μοιάζει με μετεωρίτη. Επιπλέον, έχουν μια ξεχωριστή συμπεριφορά στο ρυθμό αποσύνθεσης της επιμονής.
Απόλυτη ακρίβεια
Το κλειδί για την επίλυση του μυστηρίου της διάρκειας ζωής των νετρονίων είναι η υψηλή ακρίβεια. Το νέο πείραμα έχει νόημα μόνο εάν η ακρίβεια μπορεί να φτάσει το 0,1% ή λιγότερο από 1 δευτερόλεπτο.
Είναι σχεδόν αδύνατο να εγγραφείτε όλαβήτα ηλεκτρόνια αποσύνθεσης, επειδή μερικά από αυτά έχουν πολύ χαμηλή ενέργεια για να λάβουν επαρκές φως σπινθηρισμού. Αλλά υπάρχει μια διέξοδος. Από τη μία πλευρά, ο προτεινόμενος ανιχνευτής θα παρέχει ανάλυση θέσης κατά μήκος του άξονα της δέσμης. Μόνο τα συμβάντα στην κεντρική περιοχή θα χρησιμοποιηθούν για πολύ ακριβή ανάλυση δεδομένων. Από την άλλη πλευρά, μπορείτε να συλλέξετε όσο το δυνατόν περισσότερο φως. Ο ανιχνευτής έχει σχεδιαστεί για να καλύπτει περισσότερο από το 96% της στερεάς γωνίας των γεγονότων στην κεντρική περιοχή, έτσι ώστε η ενέργεια των ηλεκτρονίων β-αποσύνθεσης να μπορεί να ανακτηθεί με ακρίβεια. Ένας μεγάλος αριθμός από αυτά τα γεγονότα αποτελούν το ακριβές φάσμα β-διάσπασης, το οποίο περιγράφεται καλά από τη θεωρία του Fermi. Το κάτω μέρος του φάσματος μπορεί να λείπει λόγω χαμηλού τρεμοπαίγματος.
Επιπλέον, η καταστολή των ιστορικών γεγονότων είναι σημαντική,ειδικά σχετίζεται με διάσπαρτα νετρόνια. Η απουσία σκέδασης δέσμης νετρονίων από το υπερ-ρευστό ήλιο είναι ήδη μια καλή αρχή. Όλα τα παρασιτικά νετρόνια που είναι διασκορπισμένα από τα παράθυρα όγκου θα συλλαμβάνονται από απορροφητές νετρονίων που περιβάλλουν τον ανιχνευτή για να ελαχιστοποιηθεί η ενεργοποίηση νετρονίων.
Επίσης, ο ανιχνευτής θα δει επίσης τον Comptonσυμβάντα που προκαλούνται από τη στιγμιαία εκπομπή γάμμα ακτινοβολίας κατά τη σύλληψη νετρονίων στα παράθυρα εισόδου και εξόδου. Θα εμφανιστεί ως δύο φωτεινές εκρήξεις σε μια χρονική ακολουθία και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αναφορά χρόνου και έντασης για την ανακατασκευή της θέσης των συμβάντων σήματος, τη βαθμονόμηση του ανιχνευτή και τον χαρακτηρισμό του φάσματος της δέσμης.
Ποια είναι η κατώτατη γραμμή;
Αυτή η νέα μέθοδος είναι ουσιαστικά διαφορετική απόυπάρχοντα πειράματα δέσμης. Δεν απαιτεί ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Χρησιμοποιεί παλμική δέσμη με πολύ χαμηλότερα ενεργειακά νετρόνια. Και ο ανιχνευτής σπινθηρισμού ηλίου υπερρευστού ηλίου προσφέρει ένα σαφές σύνολο συστηματικών εφέ. Φυσικά, υπάρχουν πολλές τεχνικές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν. Στο άρθρο του που περιγράφει τη νέα προσέγγιση, ο Wei, ένας πειραματιστής στη μελέτη των σωματιδίων στο υπερ-ρευστό ήλιο, δήλωσε ότι ήταν πεπεισμένος ότι η νέα ιδέα θα συμβάλει τελικά στην επίλυση του μυστηρίου της διάρκειας ζωής των νετρονίων και θα παρέχει νέες ευκαιρίες για την ανακάλυψη νέας φυσικής.
Διαβάστε περισσότερα
Βρήκα ένα νέο είδος μαύρης τρύπας που δεν ταιριάζει στη θεωρία της σχετικότητας
Άμβλωση και επιστήμη: τι θα συμβεί στα παιδιά που θα γεννήσουν
Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μια αντικατάσταση για τη θεωρία της σχετικότητας. Ποια είναι η ουσία της «θεωρίας των πάντων»;
Υψηλή ακρίβεια
Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ
Το J-PARC είναι ένα συγκρότημα επιταχυντών πρωτονίων γιαανάγκες φυσικής υψηλής ενέργειας, φυσικής αδρονίου και νετρίνων, επιστήμης υλικών. Βρίσκεται κοντά στο Τοκάι της Ιαπωνίας, ένα κοινό έργο του Εθνικού Εργαστηρίου Φυσικής Υψηλής Ενέργειας του ΚΕΚ και του οργανισμού ατομικής ενέργειας JAEA.
Το Angstrom είναι μια μη συστημική μονάδα μέτρησης μήκους ίση με 10⁻¹⁰ m. Ονομάστηκε από τον Σουηδό φυσικό και αστρονόμο Anders Angstrom, ο οποίος το πρότεινε το 1868.
Εφέ Compton (Εφέ Compton,Διάσπαρτα Compton) - ασυνεπής διασπορά φωτόνων δωρεάνηλεκτρόνια, ασυνέπεια σημαίνει ότι τα φωτόνια πριν και μετά τη σκέδαση δεν παρεμβαίνουν. Το αποτέλεσμα συνοδεύεται από αλλαγή στη συχνότητα των φωτονίων, μέρος της ενέργειας της οποίας, μετά τη σκέδαση, μεταφέρεται στα ηλεκτρόνια.
Η σταθερή γωνία είναι ένα μέρος του χώρου, το οποίο είναι η ένωση όλων των ακτίνων που προέρχονται από ένα δεδομένο σημείο (άριστοςγωνία) και τέμνοντας κάποια επιφάνεια (η οποία ονομάζεται επιφάνεια,συσφιγκτικόςδεδομένης στερεάς γωνίας). Ειδικές περιπτώσεις συμπαγών γωνιών είναι οι τριεδρικές και οι πολυεδρικές γωνίες. Το όριο μιας στερεάς γωνίας είναι μια ορισμένη κωνική επιφάνεια.
Θεωρητική περιγραφή της βήτα αποσύνθεσης των πυρήνωναναπτύχθηκε από τον φυσικό Enrico Fermi, ο οποίος εισήγαγε το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό - τη σταθερά ζεύξης Fermi GFGF. Βοηθά στον προσδιορισμό της απόλυτης τιμής της διάρκειας ζωής των πυρήνων σε σχέση με την βήτα διάσπαση. Ταυτόχρονα, ο E. Fermi υπολόγισε το σχήμα του φάσματος βήτα των ηλεκτρονίων αποσύνθεσης στην απλούστερη περίπτωση των επιτρεπόμενων μεταβάσεων βήτα (η λεγόμενη μορφή Fermi του φάσματος βήτα).
Οι αποσυνθέσεις βήτα χωρίζονται σε μεταβάσεις τύπου Fermi, στις οποίες οι περιστροφές των εξερχόμενων λεπτονίων είναι αντιπαράλληλες και ο τύπος Gamow-Teller, στον οποίο οι εξερχόμενες περιστροφές λεπτονίου είναι παράλληλες.
Ένα ηλεκτρονικό βολτ είναι μια μονάδα ενέργειας εκτός συστήματος που χρησιμοποιείται στην ατομική και πυρηνική φυσική, στη στοιχειώδη φυσική σωματιδίων και σε στενά συνδεδεμένους και συναφείς τομείς της επιστήμης.