Kuinka kauan neutroni elää?
Neutronien elinikä on niin perustavanlaatuinen ja tärkeä ymmärtää
8-9 sekunnin ero on neljä kertaa suurempikahden sekunnin mittausvirhe. Todennäköisyys, että he ovat samaa mieltä keskenään, on noin 60 miljoonasta, mikä on käytännössä mahdotonta. Nämä sekunnit muodostavat neutronin eliniän mysteerin.
Kaksi menetelmää, kaksi tulosta
Joten tutkijat käyttivät kahta menetelmää neutronin elämän määrittämiseksi. Kuinka ne toimivat?
- Pullo menetelmä
Pullomenetelmässä neutronit voivat ollasuljettu tyhjiöpulloon, joka on valmistettu neutroniturvallisesta materiaalista tai jota magneettikentät ja painovoima pitävät. Niillä on erittäin pieni kineettinen energia ja ne liikkuvat useita metrejä sekunnissa. Niitä kutsutaan ultrakylmiksi neutroneiksi (UCN). Fyysikot erottavat neutronit atomien ytimistä, laittavat ne pulloon ja laskevat sitten, kuinka moni niistä on siellä jonkin ajan kuluttua. Tämän seurauksena tutkijat päättelevät, että neutronit hajoavat radioaktiivisesti keskimäärin 14 minuutissa ja 39 sekunnissa.
- Ray-menetelmä
Säteilykokeissa käytetään koneitajotka synnyttävät neutronivirtoja. Tutkijat mittaavat neutronien määrän tietyssä säteen tilavuudessa. Sitten ne ohjaavat virtauksen magneettikentän läpi sähkö- ja magneettikenttien muodostamaan hiukkasloukkuun. Neutronit hajoavat ansassa, jossa fyysikot mittaavat jäljellä olevien protonien määrän. Tällaisissa kokeissa he määrittävät neutronien keskimääräisen elinajan 14 minuuttia 48 sekuntia.
tulokset
Tähän mennessä on saatu seitsemän tulostatarkat pullomittaukset eri asetuksilla ja vain kaksi säteenmittaa. Molemmissa säteenmittauksissa käytettiin samaa menetelmää - Penning-ansaa. Hajoamistuote, protonit, siepataan ja lasketaan hyvin kalibroidulla detektorilla.
Penningin ansa itse edustaaon laite, joka käyttää tasaista staattista magneettikenttää ja spatiaalisesti epähomogeenista sähkökenttää varautuneiden hiukkasten varastoimiseen. Tämän tyyppistä ansaa käytetään usein mittaamaan tarkasti ionien ja stabiilien subatomisten hiukkasten ominaisuuksia, joilla on sähkövaraus.
Ei ole epäilystäkään siitä, että vertailua ja todentamista varten tarvitaan enemmän kokeita paitsi palkin kanssa, myös yleensä.
Onko muita tapoja?
Sädemenetelmässä fyysikot määrittävät kuinka paljonneutronit käyvät läpi beetahajoamisen. Muistakaamme, että neutronien beeta-hajoaminen on vapaan neutronin spontaani muuttuminen protoniksi β-hiukkasen (elektronin) ja elektronin antineutrinon emission avulla.
Beta-hajoamisparametrien tarkkuusmittauksetneutroni (elinikä, hiukkasmomentin ja neutronin spinin väliset kulmakorrelaatiot) ovat tärkeitä heikon vuorovaikutuksen ominaisuuksien määrittämisessä. Tämä on perustavanlaatuinen vuorovaikutus, joka on vastuussa erityisesti atomiytimien beeta-hajoamisprosesseista ja alkuainehiukkasten heikosta hajoamisesta sekä niiden avaruudellisen ja yhdistetyn pariteetin säilymislakien rikkomisesta. Tätä vuorovaikutusta kutsutaan heikoksi, koska kahdelle muulle vuorovaikutukselle, jotka ovat tärkeitä ydinfysiikan ja korkeaenergisen fysiikan kannalta (vahva ja sähkömagneettinen), on ominaista paljon suurempi intensiteetti. Se on kuitenkin paljon vahvempi kuin neljäs perusvuorovaikutus, gravitaatio.
Antineutrino-tunnistus on vaikeaa.Maailman johtavat ilmaisimet ovat usein jättimäisiä, ja ne kohdistuvat voimakkaaseen virtauksen lähteeseen, kuten aurinko tai ydinvoimala. Vuodessa tapahtuu kuitenkin vain muutama tapahtuma. Joten antineutrino ei auta tässä.
Entä protoni?Tähän saakka kaikki parhaat menetelmät sädemenetelmällä on saatu rekisteröimällä protoneja. Nyt aktiivinen työ menetelmän parantamiseksi on käynnissä. Esimerkiksi modernisoitua BL3-koketta valmistellaan NIST: ssä, USA: ssa. J-PARC: n tutkijat ilmoittivat äskettäin alustavasta neutronien elinikätuloksestaan havaitsemalla beetan hajoamiselektronit aikaprojektiokammion (TPC) avulla. Tällaiset kammiot ovat yhdistelmä drift- ja proportsionaalisia kammioita. Ne ovat monipuolisin instrumentti suurenergisessä fysiikassa, koska ne antavat mahdollisuuden saada kolmiulotteinen elektroninen kuva raidasta, jolla on vertailukelpoinen spatiaalinen resoluutio kaikissa kolmessa koordinaatissa. Japanilaisten tutkijoiden työ on elvytys kokeesta, jonka Kossakowski et ai. Ehdotti ensimmäisen kerran vuonna 1989. He pyrkivät nyt parantamaan sen tarkkuutta.
Vuosikymmenien ponnistelun jälkeen voidaan olettaa, että kaikki mahdolliset sädemenetelmän reitit tulisi tutkia huolellisesti.
Vai onko vaihtoehtoja enemmän?
Ylimääräinen helium-aika
Äskettäin artikkelissaan "Uusi kokeiluneutronin eliniästä kylmän neutroninsäteen hajoamisen kanssa superfluidissa helium-4:ssä", julkaistiin Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics -julkaisussa, tohtori Wanchun Wei ehdotti uutta lähestymistapaa. Nimittäin käyttää supernestettä helium-4-tuikettä neutronin hajoamistuotteen - elektronin - havaitsemiseen. Tutkimuksen kirjoittaja valmistui fysiikan tohtoriksi Brownin yliopistosta, USA:sta ja suoritti tohtorintutkinnon Los Alamos National Laboratoryssa. Tällä hetkellä hän työskentelee tutkimusinsinöörinä Kelloggin säteilylaboratoriossa Kalifornian teknologiainstituutissa, USA:ssa (Caltech).
Kokeile Los Alamosin UNCtaussa käyttämällä pullomenetelmää neutronien eliniän mittaamiseksi
Wein idea kuulostaa epätavalliselta, ja tästä syystä.
Useimmat elinikäiset kokeetneutronit suoritetaan suurissa tyhjiöolosuhteissa kaasupartikkeleille tapahtuvan neutronien sironnan estämiseksi. Poikkeuksena on J-PARC-kokeilu, jossa TPC vaatii toimintakaasua elektronin beeta-hajoamisvaroituksen vahvistamiseksi havaittavaksi virraksi. Hajautettujen neutronien aiheuttamien taustatapahtumien tunnistamiseksi ja eliminoimiseksi tarvitaan kehittynyttä analyysiä.
Uusi menetelmä toimii hämmästyttävän ansiostasupernesteisen heliumin, kvanttinesteen ominaisuudet. Se muodostaa makroskooppisen kvanttiaaltofunktion ja suurin osa siitä tiivistyy perustilaan. Landau ennusti vuonna 1947 kvanttinesteen peruselementit ja ne vahvistettiin joustamattomalla neutronin sironnalla.
Ylimääräisen nestemäisen helium-4: n erityispiirre on, että se virtaa kitkattomasti minkä tahansa pinnan yli, virtaa hyvin pienien huokosten läpi tottelemalla vain omaa inertiaansa.
Nestemäinen helium on supernestefaasissa.Vaikka se pysyy supernesteenä, se hiipii kupin seinämää pitkin ohuena kalvona. Se laskeutuu ulkopuolelta muodostaen pisaran, joka putoaa alla olevaan nesteeseen. Toinen pisara muodostuu — ja niin edelleen, kunnes kuppi on tyhjä
Jos neutronisäteen kuljettaminen kaasun läpi on ongelmallista, miksi harkita nestettä?
Kyllä, neutronit ovat hajallaan nestemäisessä heliumissa,mutta vain alkeellisista jännityksistä. Ja energian ja vauhdin säästämisen edellytyksen on täytyttävä. Cohen ja Feynman osoittivat vuonna 1957 julkaistussa paperissaan, että sirontaa ei tapahdu, jos neutroniaallonpituus ylittää 16,5 angströmiä. Tämä tarkoittaa, että matalan energian, pitkien aaltojen pituiset neutronit voivat kulkea supernesteisen helium-4: n läpi ikään kuin se olisi tyhjiö. Tämä puolestaan vahvistaa ehdotuksen uudeksi sädekokeeksi supernesteisellä helium-4-tuikealaitteella.
Superfluid helium-4 tuikeaineena
Ensimmäinen tuikeanturi oliseula, joka on peitetty sinkkisulfidikerroksella (ZnS). Salamat, jotka tapahtuivat, kun varatut hiukkaset osuivat siihen, nauhoitettiin mikroskoopilla. Tällaisen ilmaisimen avulla Geiger ja Marsden tekivät vuonna 1909 kokeen alfa-hiukkasten sironnasta kultaatomien avulla, mikä johti atomiytimen löytämiseen. Vuodesta 1944 lähtien skintillaattorin valon välähdyksiä on tallennettu valomonistinputkilla (PMT). Myöhemmin näihin tarkoituksiin käytettiin myös fotodiodeja.
Tuikeaine voi olla orgaaninen (kiteet, muovit tai nesteet) tai epäorgaaninen (kiteet tai lasit). Myös kaasumaisia tuikeaineita käytetään.
Superfluid helium-4 on hyvin tutkittu ehdokkaananeutriinojen ja pimeän aineen tuikedetektoriin. Kun varautuneet hiukkaset, joilla on suuri kineettinen energia, törmäävät supernesteiseen helium-4: een, heliumiatomit ionisoituvat, virittyvät ja lähettävät tuikevaloa. Prosessi on melko monimutkainen, mutta yleensä emittoituneiden fotonien lukumäärä on lineaarisesti verrannollinen varatun hiukkasen energiaan. Vapautunut elektroni kuljettaa kineettistä energiaa nollasta 782 keV: iin vapautuneesta ydinvoimasta beeta-hajoamisessa. Siten hajonneiden neutronien määrä voidaan laskea tuiketaajuudesta.
Sillä välin on tarpeen hallita neutronivirtapulssisäde. Tämä voidaan tehdä helium-3-isotoopilla, joka sieppaa neutronin, muuntuu protoniksi ja tritoniksi ja vapauttaa 764 keV energiaa. Tällaisten sieppaustapahtumien nopeus on verrannollinen säteen virtaukseen. Nämä tapahtumat edustavat ytimien potkimista. Päinvastoin, hajoaminen on elektronien luovutus. Siksi sieppaus- ja hajoamistapahtumilla on eri joukko allekirjoituksia tuikesignaalissa. Välitön hehku, sieppaustapahtuma tuottaa paljon vähemmän fotoneja syötettyä energiayksikköä kohti kuin hajoamistapahtuma. Sieppaustapahtumalla on lyhyt, kymmenien mikronien pysäytysalue, kun taas hajoamistapahtumalla on pitkä, jopa 2 cm: n polku. Lisäksi heillä on selkeä käyttäytyminen pysyvyyden hajoamisnopeudessa.
Erinomainen tarkkuus
Avain neutronien eliniän mysteerin ratkaisemiseen on korkea tarkkuus. Uudella kokeella on järkevää vain, jos tarkkuus voi olla 0,1% tai alle 1 sekunti.
Kaikkien rekisteröinti on melkein mahdotontabeeta-hajoamiselektroneja, koska joillakin niistä on liian vähän energiaa riittävän tuikevalon saamiseksi. Mutta on olemassa tie. Toisaalta ehdotettu ilmaisin tarjoaa sijaintitarkkuuden säteen akselilla. Ainoastaan keskusalueen tapahtumia käytetään erittäin tarkkaan data-analyysiin. Toisaalta voit kerätä mahdollisimman paljon valoa. Ilmaisin on suunniteltu kattamaan yli 96% keskialueella tapahtuvien tapahtumien kiinteästä kulmasta, jotta beeta-hajoamiselektronien energia voidaan ottaa talteen tarkasti. Suuri määrä näistä tapahtumista muodostaa tarkan β-hajoamisspektrin, joka on hyvin kuvattu Fermin teoriaa. Spektrin alaosa saattaa puuttua matalan välkkymisen vuoksi.
Lisäksi taustatapahtumien tukahduttaminen on tärkeää,liittyvät erityisesti hajallaan oleviin neutroneihin. Neutronisuihkun sironnan puuttuminen supernesteisellä heliumilla on jo hyvä alku. Detektoria ympäröivät neutroniabsorptiot sieppaavat kaikki tilavuusikkunoista sironnut loisneutronit neutroniaktivaation minimoimiseksi.
Ilmaisin näkee myös Comptoningammasäteilyn välittömänemissioiden aiheuttamat tapahtumat neutronien sieppauksen aikana sisään- ja uloskäyntiikkunoissa. Se näkyy kahtena kirkkaana purskeena aikasekvenssissä, ja sitä voidaan käyttää ajan ja intensiteetin viitteenä signaalitapahtumien sijainnin rekonstruoimiseksi, ilmaisimen kalibroimiseksi ja säteen spektrin luonnehtimiseksi.
Mikä lopputulos on?
Tämä uusi menetelmä on pohjimmiltaan erilainen kuinolemassa olevat sädekokeet. Ei vaadi voimakasta magneettikenttää. Se käyttää pulssisädettä, jossa on paljon pienemmän energian neutronit. Ja supernesteisen heliumin tuikeanturi tarjoaa selkeän systemaattisen vaikutelman. Tietysti on monia teknisiä vaikeuksia voittaa. Uutta lähestymistapaa kuvaavassa artikkelissaan Wei, kokeilija supernesteisen heliumin hiukkasten tutkimuksessa, sanoi olevansa vakuuttunut siitä, että uusi idea lopulta auttaa ratkaisemaan neutronien eliniän mysteerin ja tarjoaa uusia mahdollisuuksia uuden fysiikan löytämiseen.
Lue lisää
Löysi uudenlaisen mustan aukon, joka ei sovi suhteellisuusteoriaan
Abortti ja tiede: mitä tapahtuu synnyttäville lapsille
Tutkijat ovat kehittäneet suhteellisuusteorian korvikkeen. Mikä on "kaiken teorian" ydin?
Korkean tarkkuuden
Yhdysvaltain kansallinen standardi- ja teknologiainstituutti
J-PARC - protonikiihdytinkompleksikorkean energian fysiikan, hadronisen ja neutriinofysiikan, materiaalitieteen tarpeet. Sijaitsee Tokain lähellä Japanissa, KEK: n kansallisen korkean energian fysiikan laboratorion ja JAEA: n atomienergiajärjestön yhteishanke.
Angstrom on ei-systeeminen pituuden mittayksikkö, joka on yhtä suuri kuin 10-1 m. Se on nimetty ruotsalaisen fyysikon ja tähtitieteilijän Anders Angstromin mukaan, joka ehdotti sitä vuonna 1868.
Compton-vaikutus (Compton-vaikutus,Comptonin sironta) - fotonien epäyhtenäinen sironta vapaanaelektroneja, epäjohdonmukaisuus tarkoittaa, että fotonit ennen sirontaa ja sen jälkeen eivät häiritse. Vaikutukseen liittyy fotonien taajuuden muutos, jonka osa energiasta siirtyy elektroneihin sironnan jälkeen.
Kiinteä kulma on osa tilaa, joka on kaikkien tietystä pisteestä lähtevien säteiden yhdistys (yläosatkulma) ja leikkaa jonkin pinnan (jota kutsutaan pinnaksi,kuristavaannettu avaruuskulma). Avaruuskulmien erikoistapauksia ovat kolmikulmaiset ja monitahoiset kulmat. Avaruuskulman raja on tietty kartiomainen pinta.
Teoreettinen kuvaus ytimien beetahajoamisestakehitti fyysikko Enrico Fermi, joka esitteli tärkeimmän ominaisuuden - Fermi-kytkentävakion GFGF. Se auttaa määrittämään ytimien käyttöiän absoluuttisen arvon suhteessa beetan hajoamiseen. Samanaikaisesti E. Fermi laski hajoamiselektronien beetaspektrin muodon yksinkertaisimmassa tapauksessa sallittujen beeta-siirtymien tapauksessa (ns. Beetaspektrin ns. Fermi-muoto).
Beeta-hajoamiset on jaettu Fermi-tyyppisiin siirtymiin, joissa lähtevien leptonien pyöri- mät ovat antiparalleeleja, ja Gamow-Teller-tyyppiin, joissa lähtevät leptonikierrokset ovat yhdensuuntaisia.
Elektronijännite on järjestelmän ulkopuolinen energian yksikkö, jota käytetään atomi- ja ydinfysiikassa, alkeishiukkasten fysiikassa ja läheisesti liittyvissä tieteenaloissa.