Meddig él egy neutron?
A neutronok élettartama olyan alapvető és fontos megérteni
A 8-9 másodperces különbség négyszer nagyobbkét másodperces mérési hiba. Körülbelül 60 az 1 millióhoz az esélye, hogy megegyeznek egymással, ami gyakorlatilag lehetetlen. Ezek a másodpercek alkotják a neutronok élettartamának rejtélyét.
Két módszer, két eredmény
Tehát a tudósok két módszert alkalmaztak a neutron életének meghatározására. Hogyan működnek?
- Palackos módszer
A palackos módszerben a neutronok lehetnekneutronbiztos anyagból készült vagy mágneses mezők és gravitáció által tartott vákuumpalackba zárva. Rendkívül alacsony mozgási energiájuk van, és másodpercenként több méteres sebességgel mozognak. Ultracold neutronoknak (UCN) hívják őket. A fizikusok elválasztják a neutronokat az atommagoktól, palackba teszik, majd megszámolják, hogy egy idő után hányan maradnak ott. Ennek eredményeként a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a neutronok átlagosan 14 perc és 39 másodperc alatt bomlanak radioaktív módon.
- Ray módszer
A sugárzási kísérletek gépeket használnakamelyek neutronfluxust hoznak létre. A tudósok megmérik a sugár egy bizonyos térfogatában lévő neutronok számát. Ezután egy mágneses mezőn keresztül az elektromos és mágneses mezők által kialakított részecskecsapdába irányítják az áramlást. A neutronok egy csapdában bomlanak le, ahol a fizikusok megmérik a megmaradt protonok számát. Az ilyen kísérletekben egy neutron átlagos élettartamát 14 perc 48 másodpercnél határozzák meg.
találatok
Eddig hét eredmény születettnagy pontosságú palackmérések különböző beállításokkal és csak kétnyalábos mérések. Mindkét sugármérésnél ugyanazt a módszert alkalmazták - a Penning-csapdát. A bomlásterméket, a protonokat, megfogja és jól kalibrált detektor számolja.
Maga a Penning-csapda képviseliegy olyan eszköz, amely egyenletes statikus mágneses teret és térben inhomogén elektromos teret használ a töltött részecskék tárolására. Ezt a típusú csapdát gyakran használják az ionok és az elektromos töltéssel rendelkező stabil szubatomi részecskék tulajdonságainak pontos mérésére.
Kétségtelen, hogy több kísérletre van szükség az összehasonlításhoz és az ellenőrzéshez, nemcsak a sugárral, hanem általában.
Vannak más módszerek is?
A gerenda módszernél a fizikusok határozzák meg, hogy mennyia neutronok béta-bomláson mennek keresztül. Emlékezzünk vissza, hogy a béta-neutron-bomlás egy szabad neutron spontán átalakulása protonná egy β-részecske (elektron) és egy elektron antineutrínó kibocsátásával.
Béta-bomlási paraméterek precíziós méréseA neutron (élettartam, szögkorrelációk a részecskemomentum és a neutron spin között) fontos a gyenge kölcsönhatás tulajdonságainak meghatározásához. Ez egy alapvető kölcsönhatás, amely elsősorban az atommagok béta-bomlási folyamataiért és az elemi részecskék gyenge bomlásához, valamint a térbeli és kombinált paritás megőrzésének törvényeinek megsértéséért felelős. Ezt a kölcsönhatást gyengének nevezzük, mivel a másik két, a magfizika és a nagyenergiás fizika szempontjából jelentős kölcsönhatást (erős és elektromágneses) sokkal nagyobb intenzitás jellemzi. Ez azonban sokkal erősebb, mint a negyedik alapvető kölcsönhatás, a gravitáció.
Az antineutrino kimutatása nehéz.A világ vezető detektorai gyakran gigantikusak, és olyan intenzív áramlási forrásokat céloznak meg, mint a Nap vagy az atomerőmű. Egy év alatt azonban csak néhány esemény történik. Tehát az antineutrino nem segít itt.
Mi van a protonnal?Eddig a sugár módszerrel a legjobb pontosságú eredményeket protonok regisztrálásával érték el. Most aktív munka folyik a módszer javításán. Például az USA-ban, a NIST-ben egy modernizált BL3 kísérlet készül. A J-PARC kutatói a közelmúltban jelentették be előzetes neutron élettartamuk eredményét a béta bomlási elektronok detektálásával idővetítő kamra (TPC) segítségével. Az ilyen kamrák a sodródó és az arányos kamrák kombinációi. Ezek a legsokoldalúbb eszközök a nagy energiájú fizikában, mivel lehetővé teszik a pálya háromdimenziós elektronikus képének elkészítését, összehasonlítható térbeli felbontással mindhárom koordinátában. Japán tudósok munkája egy kísérlet felélesztése, amelyet először Kossakowski és munkatársai javasoltak 1989-ben. Most azon dolgoznak, hogy javítsák annak pontosságát.
Több évtizedes erőfeszítés után feltételezhető, hogy a sugár módszer minden lehetséges útját alaposan meg kell vizsgálni.
Vagy vannak további lehetőségek?
Szuperfolyékony héliumidő
Nemrég az „Új kísérletegy neutron élettartamáról a hideg neutronnyaláb bomlásával szuperfolyékony hélium-4-ben” – tette közzé Dr. Wanchun Wei egy új megközelítést. Nevezetesen, hogy egy szuperfolyékony hélium-4 szcintillátort használjunk egy neutron – egy elektron – bomlástermékének kimutatására. A tanulmány szerzője a Brown Egyetemen (USA) szerzett PhD fokozatot fizikából, posztdoktori ösztöndíját pedig a Los Alamos National Laboratoryban végezte. Jelenleg kutatómérnökként dolgozik a Kellogg Radiation Laboratory-ban, California Institute of Technology, USA (Caltech).
Kísérletezzen a Los Alamos-i UNCtauban a palackos módszerrel a neutronok élettartamának mérésére
Wei ötlete szokatlanul hangzik, és íme, miért.
A legtöbb életen át tartó kísérleta neutronokat nagy vákuumban hajtják végre, hogy kiküszöböljék a neutronok gázrészecskékre való szétszóródását. Kivételt képez a J-PARC kísérlet, ahol a TPC működő gázra szorul, hogy az elektron béta bomlási töltését detektálható árammá erősítse. Kifinomult elemzésre van szükség a szétszórt neutronok által okozott háttéresemények azonosításához és kiküszöböléséhez.
Az új módszer a csodálatosnak köszönhetően fog működnia szuperfolyékony hélium, kvantumfolyadék tulajdonságai. Makroszkopikus kvantumhullám-funkciót képez, és nagy része az alapállapotba kondenzálódik. A kvantumfolyadék elemi gerjesztéseit Landau megjósolta 1947-ben, és rugalmatlan neutronszórással erősítette meg.
A szuperfolyékony hélium-4 sajátossága, hogy súrlódás nélkül áramlik bármely felületen, nagyon kicsi pórusokon keresztül áramlik, csak a saját tehetetlenségének engedelmeskedik.
A folyékony hélium szuperfolyékony fázisban van.Míg szuperfolyékony marad, vékony filmként kúszik végig a csésze falán. Kívülről leereszkedik, és cseppet képez, amely az alatta lévő folyadékba esik. Újabb csepp keletkezik — és így tovább, amíg a csésze ki nem ürül
Ha egy neutronnyaláb gázon való áthaladása problémás, miért érdemes folyadékot mérlegelni?
Igen, a neutronok szuperfolyékony héliumban vannak elszórva,de csak elemi gerjesztésekre. És teljesülnie kell az energia megőrzésének és a lendületnek a feltételének. Cohen és Feynman 1957-ben megjelent írásukban megmutatták, hogy a szóródás nem következik be, ha a neutron hullámhossza meghaladja a 16,5 angströmet. Ez azt jelenti, hogy az alacsony energiájú, hosszú hullámhosszú neutronok behatolhatnak a szuperfolyékony hélium-4-be, mintha vákuum lenne. Ez viszont megerősíti az új sugárkísérletre irányuló javaslatot egy szuperfolyékony hélium-4 szcintillátorral.
Szuperfolyékony hélium-4 szcintillátorként
Az első szcintillációs detektor az voltcink-szulfid (ZnS) réteggel borított szita. A villanásokat, amelyek akkor következtek be, amikor a töltött részecskék eltalálták, mikroszkóppal rögzítettük. Egy ilyen detektor segítségével Geiger és Marsden 1909-ben kísérletet hajtott végre az alfa részecskék arany atomok általi szétszóródásával, ami az atommag felfedezéséhez vezetett. 1944 óta a szcintillátorból származó fényvillanásokat fényszorzó csövekkel (PMT) rögzítették. Később fotodiódákat is használtak ezekre a célokra.
A szcintillátor lehet szerves (kristályok, műanyagok vagy folyadékok) vagy szervetlen (kristályok vagy üvegek). Gáznemű szcintillátorokat is használnak.
A szuperfolyékony hélium-4-et jelöltként jól tanulmányoztáka neutrínók és a sötét anyag szcintillációs detektorához. Amikor a nagy mozgási energiájú töltött részecskék ütköznek a szuperfolyékony hélium-4-gyel, a héliumatomokat ionizálják, gerjesztik és szcintillációs fényt bocsátanak ki. A folyamat meglehetősen összetett, de általában a kibocsátott fotonok száma lineárisan arányos a töltött részecske energiájával. A felszabadult elektron a kinetikus energiát nulla és 782 keV közötti tartományban hordozza a felszabadult atomenergiától a béta bomlás során. Így a lebomlott neutronok száma kiszámítható a szcintillációs frekvenciából.
Addig szükséges a neutron fluxus szabályozásaimpulzusnyaláb. Ez megtehető a hélium-3 izotóppal, amely befogja a neutronokat, protonokká és tritonokká alakul és 764 keV energiát szabadít fel. Az ilyen rögzítési események aránya arányos a sugár fluxussal. Ezek az események a magok visszarúgását jelentik. Éppen ellenkezőleg, a bomlás az elektronok adományozása. Következésképpen a rögzítési és elhalványulási események eltérő szignatúrákkal rendelkeznek a szcintillációs jelben. Az azonnali ragyogás során a befogási esemény sokkal kevesebb fotont eredményez egy bevitt energiaegységre, mint egy bomlási esemény. A befogási esemény rövid, tízmikronos megállótávolsággal rendelkezik, míg a bomlási esemény hosszú, legfeljebb 2 cm-es nyomvonallal rendelkezik. Analógia útján az egyik szupernóvának, a másik pedig meteornak tűnik. Ezen túlmenően, a perzisztencia bomlási arányában kifejezetten viselkednek.
Végső pontosság
A neutronok élettartamának rejtelme megoldásának kulcsa a nagy pontosság. Az új kísérletnek csak akkor van értelme, ha a pontosság elérheti a 0,1% -ot, vagy kevesebb, mint 1 másodperc.
Szinte lehetetlen regisztrálni az összesetbéta-bomlási elektronok, mert némelyiküknek túl alacsony az energiája a megfelelő szcintillációs fény eléréséhez. De van kiút. Egyrészt a javasolt detektor helyzetmeghatározást fog biztosítani a nyaláb tengelye mentén. Kizárólag a központi területen zajló eseményeket fogják felhasználni a rendkívül pontos adatelemzéshez. Másrészt minél több fényt gyűjthet. Az érzékelőt úgy tervezték, hogy lefedje a központi régióban az események szögének több mint 96% -át, így a béta bomlási elektronok energiája pontosan visszanyerhető. Ezen események nagy része alkotja a pontos β-bomlási spektrumot, amelyet a Fermi-elmélet jól leír. A spektrum alsó része hiányozhat az alacsony vibrálás miatt.
Ezenkívül fontos a háttéresemények elfojtása,különösen a szétszórt neutronokkal kapcsolatban. A neutronnyaláb szuperfolyékony héliummal történő szórásának hiánya már jó kezdet. A térfogatablakokból szétszóródott összes parazita neutront a detektor körüli neutronabszorberek fogják el, hogy minimalizálják a neutronaktiválást.
Az érzékelő a Comptont is látni fogjaesemények, amelyeket a gamma-sugárzás pillanatnyi kibocsátása okoz a neutronfelvétel során a be- és kijárati ablakoknál. Idősorozatban két fényes törtként jelenik meg, és idő és intenzitás referenciaként használható a jelesemények helyzetének rekonstruálására, a detektor kalibrálására és a sugár spektrumának jellemzésére.
Mi a lényeg?
Ez az új módszer alapvetően eltér ameglévő sugárkísérletek. Nem igényel erős mágneses teret. Sokkal alacsonyabb energiájú neutronokkal rendelkező impulzusnyalábot használ. A szuperfolyékony hélium szcintillációs detektor pedig szisztematikus hatások egyértelmű készletét kínálja. Természetesen sok technikai nehézséget kell leküzdeni. Az új megközelítést leíró cikkében Wei, a szuperfolyékony héliumban lévő részecskék vizsgálatának kísérletezője elmondta, hogy bízik abban, hogy az új ötlet végső soron segít megoldani a neutronok életének rejtélyét, és új lehetőségeket kínál az új fizika felfedezéséhez.
Olvass tovább
Talált egy újfajta fekete lyukat, amely nem illeszkedik a relativitáselméletbe
Abortusz és tudomány: mi lesz a gyerekekkel, akik szülni fognak
A tudósok kifejlesztették a relativitáselmélet helyettesítőjét. Mi a "mindennek az elmélete" lényege?
Nagy pontosságú
USA Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet
J-PARC - protongyorsító komplexnagyenergiás fizika, hadron és neutrino fizika, anyagtudomány igényei. A japán Tokai közelében található, a KEK Nemzeti Magas Energia Fizikai Laboratórium és a JAEA Atomenergia Ügynökség közös projektje.
Az Angstrom egy nem rendszerszintű hosszmérési egység, amely megegyezik 10⁻1⁰ m-rel. Anders Angstrom svéd fizikusról és csillagászról kapta a nevét, aki 1868-ban javasolta.
Compton-effektus (Compton hatás,Compton-szórás) - a fotonok inkoherens szórása szabadonelektronok, az inkoherencia azt jelenti, hogy a szórás előtti és utáni fotonok nem zavarnak. A hatást a fotonok frekvenciájának változása kíséri, amelynek energiájának egy része szétszóródás után az elektronokba kerül.
A folytonos szög a tér része, amely az összes adott pontból származó sugár egyesülése (felsőkszög) és metsz egy felületet (amit felületnek nevezünk,összehúzódóadott térszög). A térszögek speciális esetei a háromszögek és a poliéderek. A térszög határa egy bizonyos kúpos felület.
A magok béta-bomlásának elméleti leírásaEnrico Fermi fizikus fejlesztette ki, aki bevezette a legfontosabb jellemzőt - a Fermi kapcsolási állandó GFGF-et. Segít meghatározni a magok élettartamának abszolút értékét a béta bomláshoz viszonyítva. Ezzel egyidejűleg E. Fermi kiszámította a bomlási elektronok béta-spektrumának alakját a megengedett béta-átmenetek legegyszerűbb esetben (a béta-spektrum úgynevezett Fermi-formája).
A béta bomlások Fermi típusú átmenetekre oszlanak, amelyekben a kimenő leptonok pörgései párhuzamosak, és a Gamow-Teller típusra, amelyekben a kimenő lepton pörgések párhuzamosak.
Az elektronfeszültség a rendszeren kívüli energiaegység, amelyet az atom- és a magfizikában, az elemi részecskefizikában és a szorosan kapcsolódó és kapcsolódó tudományterületeken használnak.