Combien de temps un neutron vit-il?
La durée de vie d’un neutron est fondamentale et importante à comprendre
La différence de 8 à 9 secondes est quatre fois plus grandeerreur de mesure de deux secondes. La probabilité qu’ils soient d’accord est d’environ 60 sur 1 million, ce qui est pratiquement impossible. Ces secondes constituent le mystère de la durée de vie des neutrons.
Deux méthodes, deux résultats
Ainsi, les scientifiques ont utilisé deux méthodes pour déterminer la durée de vie d'un neutron. Comment travaillent-ils?
- Méthode de la bouteille
Dans la méthode de la bouteille, les neutrons peuvent êtrescellée dans une bouteille à vide en matériau sans danger pour les neutrons ou maintenue par les champs magnétiques et la gravité. Ils ont une énergie cinétique extrêmement faible et se déplacent à une vitesse de plusieurs mètres par seconde. Ils sont appelés neutrons ultra-froids (UCN). Les physiciens séparent les neutrons des noyaux des atomes, les mettent dans une bouteille, puis comptent combien d'entre eux y restent après un certain temps. En conséquence, les scientifiques concluent que les neutrons se désintègrent radioactivement en 14 minutes et 39 secondes en moyenne.
- Méthode Ray
Les expériences sur les radiations utilisent des machinesqui créent des flux de neutrons. Les scientifiques mesurent le nombre de neutrons dans un certain volume du faisceau. Ils dirigent ensuite le flux à travers un champ magnétique vers un piège à particules formé par les champs électriques et magnétiques. Les neutrons se désintègrent dans un piège, où les physiciens mesurent le nombre de protons restants. Dans de telles expériences, ils déterminent la durée de vie moyenne des neutrons à 14 minutes 48 secondes.
Les résultats
Il y a sept résultats à ce jourmesures de bouteilles de haute précision avec différents réglages et seulement deux mesures de faisceau. Dans les deux mesures de faisceaux, la même méthode a été utilisée - le piège de Penning. Le produit de désintégration, les protons, est capturé par celui-ci et compté par un détecteur bien calibré.
Le piège de Penning lui-même représenteest un dispositif qui utilise un champ magnétique statique uniforme et un champ électrique spatialement inhomogène pour stocker des particules chargées. Ce type de piège est souvent utilisé pour effectuer des mesures précises des propriétés des ions et des particules subatomiques stables possédant une charge électrique.
Il ne fait aucun doute que d'autres expériences sont nécessaires pour la comparaison et la vérification, non seulement avec le faisceau, mais en général.
Y a-t-il d'autres moyens?
Dans la méthode des faisceaux, les physiciens déterminent la quantitéles neutrons subissent une désintégration bêta. Rappelons que la désintégration bêta d'un neutron est la transformation spontanée d'un neutron libre en proton avec émission d'une particule β (électron) et d'un antineutrino électronique.
Mesures de précision des paramètres de désintégration bêtales neutrons (durée de vie, corrélations angulaires entre l'impulsion des particules et le spin des neutrons) sont importants pour déterminer les propriétés de l'interaction faible. Il s'agit d'une interaction fondamentale, responsable notamment des processus de désintégration bêta des noyaux atomiques et de désintégrations faibles des particules élémentaires, ainsi que des violations des lois de conservation de la parité spatiale et combinée de celles-ci. Cette interaction est dite faible, car les deux autres interactions, significatives pour la physique nucléaire et la physique des hautes énergies (forte et électromagnétique), se caractérisent par une intensité bien plus grande. Cependant, elle est bien plus forte que la quatrième des interactions fondamentales, gravitationnelle.
La détection des antineutrinos est difficile.Les principaux détecteurs mondiaux sont souvent gigantesques et ciblent une source intense de flux comme le Soleil ou une centrale nucléaire. Cependant, seuls quelques événements se produisent en un an. L'antineutrino n'aidera donc pas ici.
Et le proton?Jusqu'à présent, tous les résultats avec la meilleure précision dans la méthode des rayons ont été obtenus en enregistrant des protons. Des travaux actifs sont actuellement en cours pour améliorer la méthode. Par exemple, une expérience BL3 modernisée est en préparation au NIST, USA. Les chercheurs du J-PARC ont récemment annoncé leur résultat préliminaire sur la durée de vie des neutrons en détectant les électrons de désintégration bêta à l'aide d'une chambre à projection temporelle (TPC). Ces chambres sont une combinaison de chambres à dérive et proportionnelles. Ils sont l'instrument le plus polyvalent en physique des hautes énergies, car ils permettent d'obtenir une image électronique tridimensionnelle d'une piste avec une résolution spatiale comparable dans les trois coordonnées. Le travail des scientifiques japonais est une reprise d'une expérience proposée pour la première fois par Kossakowski et al.En 1989. Ils travaillent maintenant à améliorer sa précision.
Après des décennies d'efforts, on peut supposer que toutes les voies possibles de la méthode des rayons doivent être soigneusement étudiées.
Ou y a-t-il plus d'options?
Temps d'hélium superfluide
Récemment, dans son article « Nouvelle expériencesur la durée de vie d'un neutron avec la désintégration d'un faisceau de neutrons froids dans l'hélium-4 superfluide », publié dans le Journal of Physics G : Nuclear and Particle Physics, le Dr Wanchun Wei a proposé une nouvelle approche. À savoir, utiliser un scintillateur superfluide à l’hélium-4 pour détecter le produit de désintégration d’un neutron – un électron. L'auteur de l'étude a obtenu son doctorat en physique à l'Université Brown, aux États-Unis, et a effectué son stage postdoctoral au Laboratoire national de Los Alamos. Il travaille actuellement comme ingénieur de recherche au Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, États-Unis (Caltech).
Expérience à l'UNCtau à Los Alamos en utilisant la méthode de la bouteille pour mesurer la durée de vie des neutrons
L'idée de Wei semble inhabituelle, et voici pourquoi.
La plupart des expériences à vieles neutrons sont réalisés dans des conditions de vide poussé pour exclure la diffusion des neutrons sur les particules de gaz. Une exception est l'expérience J-PARC, où le TPC nécessite un gaz de travail pour amplifier la charge de désintégration bêta d'un électron en un courant détectable. Une analyse sophistiquée est nécessaire pour identifier et éliminer les événements de fond causés par les neutrons diffusés.
La nouvelle méthode fonctionnera grâce à une incroyablepropriétés de l'hélium superfluide, liquide quantique. Il forme une fonction d'onde quantique macroscopique, et la plupart se condense dans l'état fondamental. Les excitations élémentaires dans un fluide quantique ont été prédites par Landau en 1947 et confirmées par diffusion inélastique des neutrons.
La particularité de l'hélium-4 superfluide est qu'il s'écoule sans frottement sur aucune surface, traverse de très petits pores, n'obéissant qu'à sa propre inertie.
L'hélium liquide est dans une phase superfluide.Bien qu'il reste superfluide, il se glisse le long de la paroi de la coupelle en une fine pellicule. Elle descend de l’extérieur, formant une goutte qui va tomber dans le liquide en dessous. Une autre goutte se formera — et ainsi de suite jusqu'à ce que la tasse soit vide
Si le passage d'un faisceau de neutrons à travers un gaz pose problème, pourquoi envisager un liquide?
Oui, les neutrons sont dispersés dans l'hélium superfluide,mais seulement sur les excitations élémentaires. Et la condition de conservation de l'énergie et de l'élan doit être remplie. Cohen et Feynman ont montré dans leur article publié en 1957 que la diffusion ne se produit pas si la longueur d'onde du neutron dépasse 16,5 angströms. Cela signifie que les neutrons de faible énergie et de grande longueur d'onde peuvent voyager à travers l'hélium-4 superfluide comme s'il s'agissait d'un vide. À son tour, cela confirme la proposition d'une nouvelle expérience de faisceau avec un scintillateur à l'hélium-4 superfluide.
Hélium-4 superfluide comme scintillateur
Le premier détecteur à scintillation étaitun écran recouvert d'une couche de sulfure de zinc (ZnS). Les éclairs qui se sont produits lorsque des particules chargées l'ont frappé ont été enregistrés à l'aide d'un microscope. C'est avec un tel détecteur que Geiger et Marsden ont mené une expérience sur la diffusion des particules alpha par des atomes d'or en 1909, qui a conduit à la découverte du noyau atomique. Depuis 1944, les éclairs lumineux du scintillateur sont enregistrés par des tubes photomultiplicateurs (PMT). Plus tard, des photodiodes ont également été utilisées à ces fins.
Le scintillateur peut être organique (cristaux, plastiques ou liquides) ou inorganique (cristaux ou verres). Des scintillateurs gazeux sont également utilisés.
L'hélium-4 superfluide est bien étudié en tant que candidatau détecteur à scintillation des neutrinos et de la matière noire. Lorsque des particules chargées à haute énergie cinétique entrent en collision avec de l'hélium-4 superfluide, les atomes d'hélium sont ionisés, excités et émettent une lumière de scintillation. Le processus est assez compliqué, mais en général, le nombre de photons émis est linéairement proportionnel à l'énergie de la particule chargée. L'électron libéré transporte l'énergie cinétique dans la gamme de zéro à 782 keV de l'énergie nucléaire libérée en désintégration bêta. Ainsi, le nombre de neutrons désintégrés peut être calculé à partir de la fréquence de scintillation.
En attendant, il est nécessaire de contrôler le flux neutroniquefaisceau pulsé. Cela peut être fait avec l'isotope hélium-3, qui capte un neutron, se transforme en proton et en triton et libère 764 keV d'énergie. Le taux de ces événements de capture est proportionnel au flux du faisceau. Ces événements représentent le rebond des cœurs. Au contraire, la désintégration est le don d'électrons. Par conséquent, les événements de capture et de désintégration ont un ensemble différent de signatures dans le signal de scintillation. Dans une lueur instantanée, un événement de capture produit beaucoup moins de photons par unité d'énergie d'entrée qu'un événement de désintégration. L'événement de capture a une courte portée d'arrêt de plusieurs dizaines de microns, tandis que l'événement de désintégration a une longue traînée allant jusqu'à 2 cm. Par analogie, l'un ressemble à une supernova et l'autre à un météore. De plus, ils ont un comportement distinct dans le taux de décroissance de la persistance.
Précision ultime
La clé pour résoudre le mystère de la durée de vie des neutrons est une grande précision. La nouvelle expérience n'a de sens que si la précision peut atteindre 0,1% ou moins d'une seconde.
Il est presque impossible de tout enregistrerélectrons de désintégration bêta, car certains d'entre eux ont une énergie trop faible pour obtenir une lumière de scintillation adéquate. Mais il y a une issue. D'une part, le détecteur proposé fournira une résolution de position le long de l'axe du faisceau. Seuls les événements de la zone centrale seront utilisés pour une analyse très précise des données. D'autre part, vous pouvez collecter autant de lumière que possible. Le détecteur est conçu pour couvrir plus de 96% de l'angle solide des événements dans la région centrale, de sorte que l'énergie des électrons de désintégration bêta puisse être récupérée avec précision. Un grand nombre de ces événements constituent le spectre de désintégration β exact, qui est bien décrit par la théorie de Fermi. La partie inférieure du spectre peut être manquante en raison d'un faible scintillement.
De plus, la suppression des événements de fond est importante,particulièrement liée aux neutrons diffusés. L'absence de diffusion d'un faisceau de neutrons par l'hélium superfluide est déjà un bon début. Tous les neutrons parasites diffusés à partir des fenêtres de volume seront capturés par des absorbeurs de neutrons entourant le détecteur pour minimiser l'activation des neutrons.
Le détecteur verra également Comptonévénements provoqués par l'émission instantanée de rayonnement gamma lors de la capture de neutrons aux fenêtres d'entrée et de sortie. Il apparaîtra sous forme de deux rafales lumineuses dans une séquence temporelle et peut être utilisé comme référence de temps et d'intensité pour reconstruire la position des événements de signal, calibrer le détecteur et caractériser le spectre du faisceau.
Quelle est la ligne du bas?
Cette nouvelle méthode est fondamentalement différente deexpériences de faisceaux existantes. Ne nécessite pas de champ magnétique puissant. Il utilise un faisceau pulsé avec des neutrons d'énergie beaucoup plus faible. Et le détecteur à scintillation à l'hélium superfluide offre un ensemble clair d'effets systématiques. Bien entendu, il existe de nombreuses difficultés techniques à surmonter. Dans son article décrivant la nouvelle approche, Wei, un expérimentateur dans l'étude des particules dans l'hélium superfluide, a déclaré qu'il était convaincu que la nouvelle idée aiderait à résoudre le mystère de la durée de vie des neutrons et offrirait de nouvelles opportunités pour découvrir une nouvelle physique.
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Haute précision
Institut national américain des normes et de la technologie
J-PARC - complexe d'accélérateurs de protons pourbesoins de la physique des hautes énergies, de la physique hadronique et neutrino, de la science des matériaux. Situé près de Tokai, au Japon, un projet conjoint du Laboratoire national de physique des hautes énergies KEK et de l'agence de l'énergie atomique JAEA.
Angstrom est une unité non systémique de mesure de longueur égale à 10⁻¹⁰ m. Elle porte le nom du physicien et astronome suédois Anders Angstrom, qui l'a proposée en 1868.
Effet Compton (Effet Compton,Diffusion Compton) - diffusion incohérente des photons par libreélectrons, l'incohérence signifie que les photons avant et après diffusion n'interfèrent pas. L'effet s'accompagne d'un changement de la fréquence des photons, dont une partie de l'énergie est transférée aux électrons après diffusion.
Un angle solide est une partie de l'espace, qui est l'union de tous les rayons émanant d'un point donné (hautsangle) et coupant une surface (appelée surface,contraignantétant donné un angle solide). Les cas particuliers d'angles solides sont les angles trièdres et polyédriques. La limite d'un angle solide est une certaine surface conique.
Description théorique de la désintégration bêta des noyauxa été développé par le physicien Enrico Fermi, qui a introduit la caractéristique la plus importante - la constante de couplage de Fermi GFGF. Il aide à déterminer la valeur absolue de la durée de vie des noyaux par rapport à la désintégration bêta. Simultanément, E. Fermi a calculé la forme du spectre bêta des électrons de désintégration dans le cas le plus simple des transitions bêta autorisées (la forme dite de Fermi du spectre bêta).
Les désintégrations bêta sont divisées en transitions de type Fermi, dans lesquelles les spins des leptons sortants sont antiparallèles, et en type Gamow-Teller, dans lequel les spins de lepton sortants sont parallèles.
Un électron-volt est une unité d'énergie hors système utilisée en physique atomique et nucléaire, en physique des particules élémentaires et dans des domaines scientifiques étroitement liés et connexes.