¿Cuánto tiempo vive un neutrón?
La vida útil de los neutrones es fundamental e importante de comprender.
La diferencia de 8-9 segundos es cuatro veces mayorerror de medición de dos segundos. La probabilidad de que coincidan entre sí es de aproximadamente 60 entre 1 millón, lo cual es prácticamente imposible. Estos segundos constituyen el misterio de la vida útil de los neutrones.
Dos métodos, dos resultados
Entonces, los científicos usaron dos métodos para determinar la vida de un neutrón. ¿Cómo trabajan?
- Método de botella
En el método de la botella, los neutrones pueden sersellada en una botella de vacío hecha de material a prueba de neutrones o sostenida por campos magnéticos y gravedad. Tienen una energía cinética extremadamente baja y se mueven a una velocidad de varios metros por segundo. Se denominan neutrones ultrafríos (UCN). Los físicos separan los neutrones de los núcleos de los átomos, los ponen en una botella y luego cuentan cuántos de ellos permanecen allí después de un tiempo. Como resultado, los científicos concluyen que los neutrones se desintegran radiactivamente en un promedio de 14 minutos y 39 segundos.
- Método Ray
Los experimentos de radiación utilizan máquinas.que crean flujos de neutrones. Los científicos miden la cantidad de neutrones en un determinado volumen del haz. Luego dirigen el flujo a través de un campo magnético hacia una trampa de partículas formada por los campos eléctrico y magnético. Los neutrones se desintegran en una trampa, donde los físicos miden el número de protones restantes. En tales experimentos, determinaron la vida media de los neutrones en 14 minutos y 48 segundos.
Resultados
Hasta ahora hay siete resultadosmediciones de botella de alta precisión con diferentes configuraciones y solo dos mediciones de haz. En ambas mediciones del haz, se utilizó el mismo método: la trampa de Penning. El producto de la desintegración, los protones, es capturado y contado por un detector bien calibrado.
La trampa de Penning en sí misma representaes un dispositivo que utiliza un campo magnético estático uniforme y un campo eléctrico espacialmente no homogéneo para almacenar partículas cargadas. Este tipo de trampa se suele utilizar para realizar mediciones precisas de las propiedades de iones y partículas subatómicas estables que tienen carga eléctrica.
No hay duda de que se requieren más experimentos para la comparación y verificación, no solo con el haz, sino en general.
¿Hay otras formas?
En el método del haz, los físicos determinan cuántoLos neutrones sufren desintegración beta. Recordemos que la desintegración beta del neutrón es la transformación espontánea de un neutrón libre en un protón con la emisión de una partícula β (electrón) y un antineutrino electrónico.
Mediciones de precisión de los parámetros de desintegración beta.El neutrón (vida útil, correlaciones angulares entre los momentos de las partículas y el espín del neutrón) son importantes para determinar las propiedades de la interacción débil. Se trata de una interacción fundamental, responsable en particular de los procesos de desintegración beta de los núcleos atómicos y de desintegraciones débiles de partículas elementales, así como de violaciones de las leyes de conservación de la paridad espacial y combinada en ellos. Esta interacción se denomina débil, ya que las otras dos interacciones, importantes para la física nuclear y la física de altas energías (fuerte y electromagnética), se caracterizan por una intensidad mucho mayor. Sin embargo, es mucho más fuerte que la cuarta de las interacciones fundamentales, la gravitacional.
La detección de antineutrinos es difícil.Los detectores más importantes del mundo son a menudo gigantes y apuntan a una fuente intensa de flujo como el Sol o una planta de energía nuclear. Sin embargo, solo ocurren unos pocos eventos en un año. Así que el antineutrino no ayudará aquí.
¿Y el protón?Hasta ahora, todos los resultados con la mejor precisión en el método de rayos se han obtenido registrando protones. Ahora se está trabajando activamente para mejorar el método. Por ejemplo, se está preparando un experimento BL3 modernizado en NIST, EE. UU. Los investigadores de J-PARC anunciaron recientemente su resultado preliminar de la vida útil de los neutrones mediante la detección de electrones de desintegración beta utilizando una cámara de proyección de tiempo (TPC). Estas cámaras son una combinación de cámaras de deriva y proporcionales. Son el instrumento más versátil en física de altas energías, ya que permiten obtener una imagen electrónica tridimensional de una pista con una resolución espacial comparable en las tres coordenadas. El trabajo de los científicos japoneses es un renacimiento de un experimento propuesto por primera vez por Kossakowski et al. En 1989. Ahora están trabajando para mejorar su precisión.
Después de décadas de esfuerzo, se puede suponer que todas las posibles vías del método de rayos deben investigarse cuidadosamente.
¿O hay más opciones?
Tiempo de helio superfluido
Recientemente, en su artículo “Nuevo experimentosobre la vida útil de un neutrón con la desintegración de un haz de neutrones fríos en helio-4 superfluido”, publicado en el Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, el Dr. Wanchun Wei propuso un nuevo enfoque. Es decir, utilizar un centelleador de helio-4 superfluido para detectar el producto de desintegración de un neutrón: un electrón. El autor del estudio recibió su doctorado en física de la Universidad de Brown, EE. UU. y completó su beca postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Los Álamos. Actualmente trabaja como ingeniero de investigación en el Laboratorio de Radiación Kellogg, Instituto de Tecnología de California, EE.UU. (Caltech).
Experimente en UNCtau en Los Alamos utilizando el método de la botella para medir la vida útil de los neutrones
La idea de Wei suena inusual, y aquí está la razón.
La mayoría de los experimentos de por vidalos neutrones se llevan a cabo en condiciones de alto vacío para excluir la dispersión de neutrones en las partículas de gas. Una excepción es el experimento J-PARC, donde el TPC requiere un gas de trabajo para amplificar la carga de desintegración beta de un electrón a una corriente detectable. Se requiere un análisis sofisticado para identificar y eliminar eventos de fondo causados por neutrones dispersos.
El nuevo método funcionará gracias a increíblespropiedades del helio superfluido, líquido cuántico. Forma una función de onda cuántica macroscópica, y la mayor parte se condensa en el estado fundamental. Landau predijo las excitaciones elementales en un fluido cuántico en 1947 y las confirmó mediante la dispersión inelástica de neutrones.
La peculiaridad del superfluido helio-4 es que fluye sin fricción sobre ninguna superficie, fluye por poros muy pequeños, obedeciendo solo a su propia inercia.
El helio líquido se encuentra en fase superfluida.Mientras permanece superfluido, se arrastra a lo largo de las paredes de la copa formando una fina película. Desciende desde el exterior formando una gota que caerá al líquido de abajo. Se formará otra gota — y así sucesivamente hasta que la taza esté vacía
Si pasar un haz de neutrones a través de un gas es problemático, ¿por qué considerar un líquido?
Sí, los neutrones están dispersos en helio superfluido,pero solo en excitaciones elementales. Y debe cumplirse la condición de conservación de la energía y el impulso. Cohen y Feynman demostraron en su artículo publicado en 1957 que la dispersión no ocurre si la longitud de onda del neutrón excede los 16,5 angstroms. Esto significa que los neutrones de baja energía y longitud de onda larga pueden viajar a través del superfluido helio-4 como si fuera un vacío. A su vez, esto confirma la propuesta de un nuevo experimento de haz con un centelleador superfluido de helio-4.
Helio-4 superfluido como centelleador
El primer detector de centelleo fueuna pantalla cubierta con una capa de sulfuro de zinc (ZnS). Los destellos que ocurrieron cuando las partículas cargadas lo golpearon se registraron usando un microscopio. Fue con un detector de este tipo que Geiger y Marsden llevaron a cabo un experimento sobre la dispersión de partículas alfa por átomos de oro en 1909, que condujo al descubrimiento del núcleo atómico. Desde 1944, los destellos de luz del centelleador se han registrado mediante tubos fotomultiplicadores (PMT). Posteriormente, también se utilizaron fotodiodos para estos fines.
El centelleador puede ser orgánico (cristales, plásticos o líquidos) o inorgánico (cristales o vidrios). También se utilizan centelleadores gaseosos.
El helio-4 superfluido está bien estudiado como candidatoal detector de centelleo de neutrinos y materia oscura. Cuando las partículas cargadas con alta energía cinética chocan con el superfluido helio-4, los átomos de helio se ionizan, excitan y emiten luz de centelleo. El proceso es bastante complicado, pero en general, el número de fotones emitidos es linealmente proporcional a la energía de la partícula cargada. El electrón liberado transporta energía cinética en el rango de cero a 782 keV de la energía nuclear liberada en desintegración beta. Por tanto, el número de neutrones decaídos se puede calcular a partir de la frecuencia de centelleo.
Mientras tanto, es necesario controlar el flujo de neutroneshaz pulsado. Esto se puede hacer con el isótopo helio-3, que captura un neutrón, se convierte en un protón y un tritón y libera 764 keV de energía. La tasa de tales eventos de captura es proporcional al flujo del haz. Estos eventos representan el retroceso de los núcleos. Por el contrario, la desintegración es la donación de electrones. Por lo tanto, los eventos de captura y desintegración tienen un conjunto diferente de firmas en la señal de centelleo. En un resplandor instantáneo, un evento de captura produce muchos menos fotones por unidad de entrada de energía que un evento de desintegración. El evento de captura tiene un rango de parada corto de decenas de micrones, mientras que el evento de desintegración tiene un rastro largo de hasta 2 cm. Por analogía, uno parece una supernova y el otro un meteoro. Además, tienen un comportamiento distinto en la tasa de decaimiento de la persistencia.
Precisión máxima
La clave para resolver el misterio de la vida útil de los neutrones es la alta precisión. El nuevo experimento solo tiene sentido si la precisión puede alcanzar el 0,1% o menos de 1 segundo.
Es casi imposible registrar todoselectrones de desintegración beta, porque algunos de ellos tienen una energía demasiado baja para obtener una luz de centelleo adecuada. Pero hay una salida. Por un lado, el detector propuesto proporcionará resolución posicional a lo largo del eje del haz. Solo los eventos en el área central se utilizarán para un análisis de datos de alta precisión. Por otro lado, puedes recolectar la mayor cantidad de luz posible. El detector está diseñado para cubrir más del 96% del ángulo sólido de eventos en la región central, de modo que la energía de los electrones de desintegración beta se pueda recuperar con precisión. Una gran cantidad de estos eventos forman el espectro de desintegración β exacto, que está bien descrito por la teoría de Fermi. Es posible que falte la parte inferior del espectro debido al bajo parpadeo.
Además, la supresión de eventos de fondo es importante,especialmente relacionado con neutrones dispersos. La ausencia de dispersión de un haz de neutrones por helio superfluido ya es un buen comienzo. Todos los neutrones parásitos dispersos desde las ventanas de volumen serán capturados por absorbedores de neutrones que rodean el detector para minimizar la activación de neutrones.
El detector también verá Comptoneventos causados por la emisión instantánea de radiación gamma durante la captura de neutrones en las ventanas de entrada y salida. Aparecerá como dos ráfagas brillantes en una secuencia de tiempo y se puede usar como referencia de tiempo e intensidad para reconstruir la posición de eventos de señal, calibrar el detector y caracterizar el espectro del haz.
¿Cuál es el resultado final?
Este nuevo método es fundamentalmente diferente deexperimentos de haces existentes. No requiere un campo magnético fuerte. Utiliza un haz pulsado con neutrones de energía mucho más baja. Y el detector de centelleo de helio superfluido ofrece un conjunto claro de efectos sistemáticos. Por supuesto, hay muchas dificultades técnicas que superar. En su artículo que describe el nuevo enfoque, Wei, un experimentador en el estudio de partículas en helio superfluido, dijo que confiaba en que la nueva idea ayudaría en última instancia a resolver el misterio de la vida útil de los neutrones y brindaría nuevas oportunidades para descubrir nueva física.
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Alta precisión
Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU.
J-PARC - complejo acelerador de protones paranecesidades de física de altas energías, física de hadrones y neutrinos, ciencia de materiales. Ubicado cerca de Tokai, Japón, un proyecto conjunto del Laboratorio Nacional de Física de Altas Energías KEK y la agencia de energía atómica JAEA.
Angstrom es una unidad no sistémica de medida de longitud igual a 10⁻¹⁰ m. Lleva el nombre del físico y astrónomo sueco Anders Angstrom, quien lo propuso en 1868.
Efecto Compton (Efecto Compton,Dispersión de Compton) - dispersión incoherente de fotones por libreelectrones, la incoherencia significa que los fotones antes y después de la dispersión no interfieren. El efecto se acompaña de un cambio en la frecuencia de los fotones, parte de cuya energía se transfiere a los electrones después de la dispersión.
Un ángulo sólido es una parte del espacio, que es la unión de todos los rayos que emanan de un punto dado (tapasángulo) e intersecta alguna superficie (que se llama superficie,constrictivoángulo sólido dado). Casos especiales de ángulos sólidos son los ángulos triédricos y poliédricos. El límite de un ángulo sólido es una determinada superficie cónica.
Descripción teórica de la desintegración beta de los núcleos.fue desarrollado por el físico Enrico Fermi, quien introdujo la característica más importante: la constante de acoplamiento de Fermi GFGF. Ayuda a determinar el valor absoluto de la vida útil de los núcleos en relación con la desintegración beta. Simultáneamente, E. Fermi calculó la forma del espectro beta de electrones de desintegración en el caso más simple de transiciones beta permitidas (la llamada forma de Fermi del espectro beta).
Las desintegraciones beta se dividen en transiciones de tipo Fermi, en las que los giros de los leptones salientes son antiparalelos, y el tipo Gamow-Teller, en el que los giros del leptón saliente son paralelos.
Un electronvoltio es una unidad de energía fuera del sistema que se usa en física atómica y nuclear, en física de partículas elementales y en campos de la ciencia estrechamente relacionados y afines.