Koliko dugo živi neutron?
Životni vijek neutrona je tako temeljan i važan za razumijevanje
Razlika od 8-9 sekundi je četiri puta većagreška mjerenja od dvije sekunde. Šansa da se međusobno slažu je oko 60 prema 1 milijun, što je praktički nemoguće. Te sekunde predstavljaju misterij životnog vijeka neutrona.
Dvije metode, dva rezultata
Dakle, znanstvenici su koristili dvije metode za određivanje života neutrona. Kako rade?
- Metoda boce
U metodi boce, neutroni mogu bitizatvorene u vakuumsku bocu izrađenu od neutronski sigurnog materijala ili zadržane magnetskim poljima i gravitacijom. Imaju izuzetno nisku kinetičku energiju i kreću se brzinom od nekoliko metara u sekundi. Zovu se ultrahladni neutroni (UCN). Fizičari odvajaju neutrone od jezgri atoma, stavljaju ih u bocu i zatim broje koliko ih nakon nekog vremena ostaje tamo. Kao rezultat toga, znanstvenici zaključuju da neutroni raspadaju radioaktivno u prosjeku za 14 minuta i 39 sekundi.
- Rayova metoda
Pokusi radijacije koriste strojevekoji stvaraju tokove neutrona. Znanstvenici mjere broj neutrona u određenom volumenu snopa. Zatim usmjeravaju protok kroz magnetsko polje u zamku čestica koju čine električno i magnetsko polje. Neutroni se raspadaju u zamci, gdje fizičari mjere broj preostalih protona. U takvim eksperimentima, oni određuju prosječni životni vijek neutrona na 14 minuta i 48 sekundi.
rezultati
Do sada je sedam rezultatavisoko precizna mjerenja boca s različitim postavkama i samo dva mjerenja snopa. U oba mjerenja snopa korištena je ista metoda - Penningova zamka. Proizvod hvatanja, protoni, on hvata i broji dobro kalibriranim detektorom.
Sama Penningova zamka predstavljaje uređaj koji koristi jednolično statičko magnetsko polje i prostorno nehomogeno električno polje za pohranjivanje nabijenih čestica. Ova vrsta zamke često se koristi za precizna mjerenja svojstava iona i stabilnih subatomskih čestica koje imaju električni naboj.
Nema sumnje da je za usporedbu i provjeru potrebno više eksperimenata, ne samo sa zrakom, već i općenito.
Postoje li drugi načini?
U metodi snopa fizičari određuju kolikoneutroni prolaze kroz beta raspad. Podsjetimo, beta raspad neutrona je spontana transformacija slobodnog neutrona u proton uz emisiju β-čestice (elektrona) i elektronskog antineutrina.
Precizna mjerenja parametara beta raspadaneutrona (vrijeme života, kutne korelacije između momenta čestice i spina neutrona) važni su za određivanje svojstava slabe interakcije. To je temeljna interakcija, odgovorna posebno za procese beta raspada atomskih jezgri i slabih raspada elementarnih čestica, kao i kršenja zakona očuvanja prostornog i kombiniranog pariteta u njima. Ova interakcija se naziva slabom, budući da se druge dvije interakcije, značajne za nuklearnu fiziku i fiziku visokih energija (jaka i elektromagnetska), odlikuju znatno većim intenzitetom. Međutim, ona je puno jača od četvrte temeljne interakcije, gravitacijske.
Otkrivanje antineutrina je teško.Vodeći svjetski detektori često su gigantski i ciljaju na intenzivan izvor fluksa poput Sunca ili nuklearne elektrane. Međutim, u godini se dogodi samo nekoliko događaja. Dakle, antineutrino ovdje neće pomoći.
Što je s protonom?Do sada su svi rezultati s najboljom točnošću u zračnoj metodi dobiveni registracijom protona. Sada se aktivno radi na poboljšanju metode. Na primjer, modernizirani eksperiment BL3 u pripremi je u NIST-u, SAD. Istraživači iz J-PARC-a nedavno su objavili svoj preliminarni životni vijek neutrona otkrivanjem elektrona beta raspada pomoću vremenske projekcijske komore (TPC). Takve su komore kombinacija nanosnih i proporcionalnih komora. Oni su najsvestraniji instrument u fizici visokih energija, jer omogućuju dobivanje trodimenzionalne elektroničke slike staze s usporedivom prostornom razlučivosti u sve tri koordinate. Rad japanskih znanstvenika oživljavanje je eksperimenta koji su prvi predložili Kossakowski i suradnici 1989. godine. Oni sada rade na poboljšanju njegove točnosti.
Nakon desetljeća napora, može se pretpostaviti da treba pažljivo istražiti sve moguće putove zračne metode.
Ili postoji više mogućnosti?
Supertekuće vrijeme helija
Nedavno je u svom članku “Novi eksperimento životnom vijeku neutrona s raspadom snopa hladnih neutrona u superfluidnom heliju-4”, objavljenom u Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, dr. Wanchun Wei predložio je novi pristup. Naime, upotrijebiti superfluidni scintilator helij-4 za detekciju produkta raspada neutrona — elektrona. Autor studije doktorirao je fiziku na Sveučilištu Brown u SAD-u i završio postdoktorsku stipendiju u Nacionalnom laboratoriju Los Alamos. Trenutno radi kao istraživački inženjer u Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, SAD (Caltech).
Eksperimentirajte na UNCtau u Los Alamosu metodom boce za mjerenje vijeka trajanja neutrona
Weijeva ideja zvuči neobično, a evo i zašto.
Većina životnih eksperimenataneutroni se provode u uvjetima visokog vakuuma kako bi se isključilo raspršivanje neutrona na česticama plina. Iznimka je eksperiment J-PARC, gdje TPC zahtijeva radni plin za pojačavanje naboja beta raspada elektrona na struju koja se može detektirati. Za identificiranje i uklanjanje pozadinskih događaja uzrokovanih raspršenim neutronima potrebna je sofisticirana analiza.
Nova metoda funkcionirat će zahvaljujući nevjerojatnimsvojstva supertečnog helija, kvantne tekućine. Tvori makroskopsku kvantnu valnu funkciju i većina se kondenzira u osnovno stanje. Elementarna pobuđenja u kvantnoj tekućini predvidio je Landau 1947. godine, a potvrdio ih neelastičnim raspršivanjem neutrona.
Posebnost supertekućeg helija-4 je u tome što teče bez trenja po bilo kojoj površini, teče kroz vrlo male pore, pokoravajući se samo vlastitoj tromosti.
Tekući helij je u superfluidnoj fazi.Dok ostaje supertekuća, puzi uz stijenku čaše u tankom sloju. Spušta se izvana, formirajući kapljicu koja će pasti u tekućinu ispod. Nastat će još jedna kap — i tako dok se šalica ne isprazni
Ako je prolazak neutronske zrake kroz plin problematičan, zašto razmišljati o tekućini?
Da, neutroni su raspršeni u supertečnom heliju,ali samo na elementarna uzbuđenja. I mora biti zadovoljen uvjet očuvanja energije i zamaha. Cohen i Feynman pokazali su u svom radu objavljenom 1957. da se raspršivanje ne događa ako valna duljina neutrona prelazi 16,5 angstrema. To znači da neutroni niske energije dugovalne duljine mogu putovati kroz supertekući helij-4 kao da je vakuum. To zauzvrat potvrđuje prijedlog za novi pokus snopa s supertečnim scintilatorom helij-4.
Supertekući helij-4 kao scintilator
Prvi scintilacijski detektor bio jezaslon prekriven slojem cinkovog sulfida (ZnS). Bljeskovi koji su se dogodili kad su je nabijene čestice zabilježeni snimljeni su mikroskopom. Upravo s takvim detektorom Geiger i Marsden proveli su eksperiment o raspršivanju alfa čestica atomima zlata 1909. godine, što je dovelo do otkrića atomske jezgre. Od 1944. svjetlosni bljeskovi iz scintilatora bilježe se fotomultiplikatorskim cijevima (PMT). Kasnije su se u te svrhe koristile i fotodiode.
Scintilator može biti organski (kristali, plastika ili tekućine) ili anorganski (kristali ili stakla). Koriste se i plinski scintilatori.
Supertekući helij-4 dobro se proučava kao kandidatna scintilacijski detektor neutrina i tamne tvari. Kada se nabijene čestice s visokom kinetičkom energijom sudare sa supertekućim helijem-4, atomi helija su ionizirani, pobuđeni i emitiraju scintilacijsku svjetlost. Proces je prilično kompliciran, ali općenito je broj emitiranih fotona linearno proporcionalan energiji nabijene čestice. Oslobođeni elektron nosi kinetičku energiju u rasponu od nule do 782 keV iz oslobođene nuklearne energije u beta raspadu. Dakle, broj raspadnutih neutrona može se izračunati iz frekvencije scintilacije.
U međuvremenu je potrebno kontrolirati neutronski tokimpulsna zraka. To se može učiniti s izotopom helij-3, koji zahvaća neutron, pretvara se u proton i triton i oslobađa 764 keV energije. Brzina takvih događaja hvatanja proporcionalna je toku zraka. Ti događaji predstavljaju povratak jezgri. Suprotno tome, raspad je doniranje elektrona. Stoga događaji hvatanja i raspada imaju drugačiji skup potpisa u scintilacijskom signalu. U trenutačnom sjaju, događaj hvatanja stvara mnogo manje fotona po jedinici uložene energije od događaja raspada. Događaj hvatanja ima kratki domet zaustavljanja od desetaka mikrona, dok događaj raspadanja ima dugačak trag do 2 cm. Po analogiji, jedna izgleda poput supernove, a druga poput meteora. Uz to, imaju izrazito ponašanje u brzini propadanja postojanosti.
Krajnja točnost
Ključ za razrješenje misterije vijeka trajanja neutrona je visoka točnost. Novi eksperiment ima smisla samo ako točnost može doseći 0,1% ili manje od 1 sekunde.
Gotovo je nemoguće sve registriratielektroni beta raspada, jer neki od njih imaju prenisku energiju da bi dobili odgovarajuću svjetlost scintilacije. Ali postoji izlaz. S jedne strane, predloženi detektor pružit će pozicijsku razlučivost duž osi snopa. Za vrlo preciznu analizu podataka koristit će se samo događaji u središnjem području. S druge strane, možete prikupiti što više svjetlosti. Detektor je dizajniran da pokrije više od 96% čvrstog kuta događaja u središnjem području, tako da se energija beta raspadajućih elektrona može točno oporaviti. Veliki broj tih događaja čini točan spektar β-raspada, što je dobro opisala Fermijeva teorija. Donji dio spektra može nedostajati zbog slabog treperenja.
Uz to, suzbijanje pozadinskih događaja je važno,posebno vezano za raspršene neutrone. Odsutnost raspršivanja neutronskog snopa supertečnim helijem već je dobar početak. Svi parazitski neutroni raspršeni iz prozora volumena zarobit će ih apsorberi neutrona koji okružuju detektor kako bi minimalizirali aktivaciju neutrona.
Detektor će također vidjeti Comptonadogađaji uzrokovani trenutnom emisijom gama zračenja tijekom hvatanja neutrona na ulaznom i izlaznom prozoru. Pojavit će se kao dva sjajna praska u vremenskom slijedu i može se koristiti kao referenca vremena i intenziteta za rekonstrukciju položaja signalnih događaja, kalibriranje detektora i karakterizaciju spektra snopa.
Koji je zaključak?
Ova nova metoda bitno se razlikuje odpostojeći eksperimenti s gredama. Ne zahtijeva jako magnetsko polje. Koristi impulsni snop s mnogo nižim energetskim neutronima. A supertekući scintilacijski detektor helija nudi jasan niz sustavnih učinaka. Naravno, postoje mnoge tehničke poteškoće koje treba prevladati. U svom članku koji opisuje novi pristup, Wei, eksperimentator u proučavanju čestica u supertečnom heliju, rekao je kako je uvjeren da će nova ideja u konačnici pomoći u rješavanju misterije vijeka trajanja neutrona i pružiti nove mogućnosti za otkrivanje nove fizike.
Čitaj više
Pronašli smo novu vrstu crne rupe koja se ne uklapa u teoriju relativnosti
Pobačaj i znanost: što će se dogoditi s djecom koja će roditi
Znanstvenici su razvili zamjenu za teoriju relativnosti. Što je bit "teorije svega"?
Visoka preciznost
Američki nacionalni institut za standarde i tehnologiju
J-PARC - kompleks protonskih akceleratora zapotrebe fizike visokih energija, hadronske i neutrinske fizike, znanosti o materijalima. Smješten u blizini Tokaija u Japanu, zajednički projekt Nacionalnog laboratorija za fiziku visokih energija KEK-a i agencije za atomsku energiju JAEA.
Angstrom je nesistemska jedinica mjere duljine jednaka 10⁻¹⁰ m. Ime je dobila po švedskom fizičaru i astronomu Andersu Angstromu, koji ju je predložio 1868. godine.
Comptonov efekt (Comptonov efekt,Comptonovo rasipanje) - nekoherentno raspršivanje fotona slobodnimelektroni, nekoherentnost znači da se fotoni prije i nakon raspršenja ne ometaju. Učinak je popraćen promjenom frekvencije fotona čiji se dio energije nakon raspršenja prenosi na elektrone.
Čvrsti kut je dio prostora, koji je spoj svih zraka koje proizlaze iz određene točke (vrhovikut) i sijeku neku plohu (koja se naziva ploha,stezanjezadani prostorni kut). Posebni slučajevi prostornih kutova su trostrani i poliedarski kutovi. Granica čvrstog kuta je određena stožasta ploha.
Teorijski opis beta raspada jezgararazvio je fizičar Enrico Fermi, koji je predstavio najvažnije svojstvo - Fermijevu konstantu sprege GFGF. Pomaže u određivanju apsolutne vrijednosti vijeka trajanja jezgara u odnosu na beta raspad. Istodobno, E. Fermi izračunao je oblik beta spektra raspadajućih elektrona u najjednostavnijem slučaju dopuštenih beta prijelaza (tzv. Fermijev oblik beta spektra).
Beta raspadi podijeljeni su na Fermijeve prijelaze, u kojima su spinovi odlazećih leptona antiparalelni, i Gamow-Tellerov tip, u kojima su odlazni leptonski spinovi paralelni.
Elektronski volt je izvansustavska jedinica energije koja se koristi u atomskoj i nuklearnoj fizici, fizici elementarnih čestica te u usko povezanim i povezanim poljima znanosti.