Quanto dura un neutrone?
La vita dei neutroni è fondamentale e importante da comprendere
La differenza di 8-9 secondi è quattro volte maggioreerrore di misura di due secondi. La possibilità che siano d'accordo tra loro è di circa 60 su 1 milione, il che è praticamente impossibile. Questi secondi costituiscono il mistero della vita dei neutroni.
Due metodi, due risultati
Quindi, gli scienziati hanno utilizzato due metodi per determinare la vita di un neutrone. Come funzionano?
- Metodo in bottiglia
Nel metodo della bottiglia, i neutroni possono esseresigillato in una bottiglia sottovuoto in materiale neutron-safe o trattenuto da campi magnetici e gravità. Hanno un'energia cinetica estremamente bassa e si muovono a una velocità di diversi metri al secondo. Sono chiamati neutroni ultrafreddi (UCN). I fisici separano i neutroni dai nuclei degli atomi, li mettono in una bottiglia e poi contano quanti di essi rimangono lì dopo un po '. Di conseguenza, gli scienziati concludono che i neutroni decadono radioattivamente in una media di 14 minuti e 39 secondi.
- Metodo Ray
Gli esperimenti sulle radiazioni utilizzano macchineche creano flussi di neutroni. Gli scienziati misurano il numero di neutroni in un certo volume del fascio. Quindi dirigono il flusso attraverso un campo magnetico in una trappola di particelle formata dai campi elettrico e magnetico. I neutroni decadono in una trappola, dove i fisici misurano il numero di protoni rimanenti. In tali esperimenti, determinano la vita media dei neutroni a 14 minuti e 48 secondi.
risultati
Finora ci sono sette risultatimisurazioni di bottiglie ad alta precisione con impostazioni diverse e solo due misurazioni del raggio. In entrambe le misurazioni del raggio, è stato utilizzato lo stesso metodo: la trappola di Penning. Il prodotto di decadimento, i protoni, viene catturato da esso e contato da un rilevatore ben calibrato.
La stessa trappola di Penning rappresentaè un dispositivo che utilizza un campo magnetico statico uniforme e un campo elettrico spazialmente disomogeneo per immagazzinare particelle cariche. Questo tipo di trappola viene spesso utilizzato per effettuare misurazioni precise delle proprietà degli ioni e delle particelle subatomiche stabili dotate di carica elettrica.
Non c'è dubbio che sono necessari più esperimenti per il confronto e la verifica, non solo con il raggio, ma in generale.
Ci sono altri modi?
Nel metodo del fascio, i fisici determinano quantoi neutroni subiscono un decadimento beta. Ricordiamo che il decadimento beta del neutrone è la trasformazione spontanea di un neutrone libero in un protone con l'emissione di una particella β (elettrone) e di un antineutrino elettronico.
Misure di precisione dei parametri del decadimento betaneutrone (durata, correlazioni angolari tra momento delle particelle e spin dei neutroni) sono importanti per determinare le proprietà dell'interazione debole. Si tratta di un'interazione fondamentale, responsabile in particolare dei processi di decadimento beta dei nuclei atomici e dei decadimenti deboli delle particelle elementari, nonché delle violazioni delle leggi di conservazione della parità spaziale e combinata in essi. Questa interazione è detta debole, poiché le altre due interazioni, significative per la fisica nucleare e per la fisica delle alte energie (forte ed elettromagnetica), sono caratterizzate da un'intensità molto maggiore. Tuttavia è molto più forte della quarta delle interazioni fondamentali, quella gravitazionale.
Il rilevamento dell'antineutrino è difficile.I principali rilevatori del mondo sono spesso giganteschi e prendono di mira un'intensa fonte di flusso come il Sole o una centrale nucleare. Tuttavia, solo pochi eventi accadono in un anno. Quindi l'antineutrino non aiuta qui.
E il protone?Fino ad ora, tutti i risultati con la migliore accuratezza nel metodo dei raggi sono stati ottenuti registrando i protoni. Ora è in corso un lavoro attivo per migliorare il metodo. Ad esempio, un esperimento BL3 modernizzato è in preparazione al NIST, USA. I ricercatori del J-PARC hanno recentemente annunciato il loro risultato preliminare sulla durata dei neutroni rilevando elettroni di decadimento beta utilizzando una camera di proiezione del tempo (TPC). Tali camere sono una combinazione di camere di deriva e proporzionali. Sono lo strumento più versatile nella fisica delle alte energie, poiché consentono di ottenere un'immagine elettronica tridimensionale di una traccia con una risoluzione spaziale comparabile in tutte e tre le coordinate. Il lavoro degli scienziati giapponesi è un revival di un esperimento proposto per la prima volta da Kossakowski et al.Nel 1989. Ora stanno lavorando per migliorarne la precisione.
Dopo decenni di sforzi, si può presumere che tutti i possibili percorsi del metodo dei raggi debbano essere attentamente studiati.
O ci sono altre opzioni?
Tempo di elio superfluido
Recentemente, nel suo articolo “Nuovo esperimentosulla vita di un neutrone con il decadimento di un fascio di neutroni freddi nell’elio-4 superfluido”, pubblicato sul Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, il dottor Wanchun Wei ha proposto un nuovo approccio. Vale a dire, utilizzare uno scintillatore superfluido di elio-4 per rilevare il prodotto di decadimento di un neutrone, un elettrone. L'autore dello studio ha conseguito il dottorato in fisica presso la Brown University, negli Stati Uniti, e ha completato la sua borsa di studio post-dottorato presso il Los Alamos National Laboratory. Attualmente lavora come ingegnere ricercatore presso il Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, USA (Caltech).
Esperimento presso UNCtau a Los Alamos utilizzando il metodo della bottiglia per misurare la durata dei neutroni
L'idea di Wei sembra insolita, ed ecco perché.
La maggior parte degli esperimenti a vitai neutroni vengono eseguiti in condizioni di alto vuoto per escludere la dispersione dei neutroni sulle particelle di gas. Un'eccezione è l'esperimento J-PARC, in cui il TPC richiede un gas di lavoro per amplificare la carica di decadimento beta di un elettrone a una corrente rilevabile. È necessaria un'analisi sofisticata per identificare ed eliminare eventi di fondo causati da neutroni dispersi.
Il nuovo metodo funzionerà grazie a amazingproprietà dell'elio superfluido, liquido quantistico. Forma una funzione d'onda quantistica macroscopica e la maggior parte di essa si condensa nello stato fondamentale. Le eccitazioni elementari in un fluido quantistico furono previste da Landau nel 1947 e confermate dallo scattering anelastico di neutroni.
La particolarità del superfluido elio-4 è che scorre senza attrito su nessuna superficie, scorre attraverso pori molto piccoli, obbedendo solo alla propria inerzia.
L'elio liquido è in una fase superfluida.Pur rimanendo superfluido, si insinua lungo la parete della coppetta formando una pellicola sottile. Scende dall'esterno formando una goccia che cadrà nel liquido sottostante. Si formerà un'altra goccia — e così via finché la tazza non sarà vuota
Se il passaggio di un fascio di neutroni attraverso un gas è problematico, perché considerare un liquido?
Sì, i neutroni sono dispersi nell'elio superfluido,ma solo su eccitazioni elementari. E la condizione di conservazione dell'energia e della quantità di moto deve essere soddisfatta. Cohen e Feynman hanno mostrato nel loro articolo pubblicato nel 1957 che lo scattering non si verifica se la lunghezza d'onda del neutrone supera i 16,5 angstrom. Ciò significa che i neutroni a bassa energia e lunga lunghezza d'onda possono viaggiare attraverso l'elio-4 superfluido come se fosse un vuoto. A sua volta, ciò conferma la proposta di un nuovo esperimento di fascio con uno scintillatore superfluido a elio-4.
Elio-4 superfluido come scintillatore
Il primo rilevatore di scintillazione è statouno schermo ricoperto da uno strato di solfuro di zinco (ZnS). I lampi che si sono verificati quando le particelle cariche lo hanno colpito sono stati registrati utilizzando un microscopio. Fu con un tale rivelatore che Geiger e Marsden condussero un esperimento sulla diffusione delle particelle alfa da parte degli atomi d'oro nel 1909, che portò alla scoperta del nucleo atomico. Dal 1944, i lampi di luce dello scintillatore sono stati registrati da tubi fotomoltiplicatori (PMT). Successivamente, anche i fotodiodi sono stati utilizzati per questi scopi.
Lo scintillatore può essere organico (cristalli, plastica o liquidi) o inorganico (cristalli o vetri). Vengono utilizzati anche scintillatori gassosi.
Il superfluido elio-4 è ben studiato come candidatoal rivelatore a scintillazione di neutrini e materia oscura. Quando particelle cariche con alta energia cinetica entrano in collisione con l'elio-4 superfluido, gli atomi di elio vengono ionizzati, eccitati ed emettono luce di scintillazione. Il processo è abbastanza complicato, ma in generale il numero di fotoni emessi è linearmente proporzionale all'energia della particella carica. L'elettrone rilasciato trasporta energia cinetica nell'intervallo da zero a 782 keV dall'energia nucleare rilasciata in decadimento beta. Pertanto, il numero di neutroni decaduti può essere calcolato dalla frequenza di scintillazione.
Nel frattempo, è necessario controllare il flusso di neutronifascio pulsato. Questo può essere fatto con l'isotopo elio-3, che cattura un neutrone, lo converte in un protone e un tritone e rilascia 764 keV di energia. La velocità di tali eventi di cattura è proporzionale al flusso del raggio. Questi eventi rappresentano il contraccolpo dei core. Al contrario, il decadimento è la donazione di elettroni. Pertanto, gli eventi di cattura e decadimento hanno un diverso insieme di firme nel segnale di scintillazione. In un bagliore istantaneo, un evento di cattura produce molti meno fotoni per unità di input di energia rispetto a un evento di decadimento. L'evento di cattura ha un breve intervallo di arresto di decine di micron, mentre l'evento di decadimento ha una lunga scia fino a 2 cm Per analogia, uno sembra una supernova e l'altro una meteora. Inoltre, hanno un comportamento distinto nel tasso di decadimento della persistenza.
Massima precisione
La chiave per risolvere il mistero della durata dei neutroni è l'elevata precisione. Il nuovo esperimento ha senso solo se la precisione può raggiungere lo 0,1% o meno di 1 secondo.
È quasi impossibile registrarli tuttielettroni di decadimento beta, perché alcuni di loro hanno un'energia troppo bassa per ottenere una luce di scintillazione adeguata. Ma c'è una via d'uscita. Da un lato, il rivelatore proposto fornirà una risoluzione posizionale lungo l'asse del fascio. Solo gli eventi nell'area centrale verranno utilizzati per un'analisi dei dati estremamente accurata. D'altra parte, puoi raccogliere quanta più luce possibile. Il rilevatore è progettato per coprire più del 96% dell'angolo solido degli eventi nella regione centrale, in modo che l'energia degli elettroni di decadimento beta possa essere accuratamente recuperata. Un gran numero di questi eventi costituisce l'esatto spettro di decadimento β, che è ben descritto dalla teoria di Fermi. La parte inferiore dello spettro potrebbe mancare a causa del basso sfarfallio.
Inoltre, è importante sopprimere gli eventi in background,in particolare relativo ai neutroni dispersi. L'assenza di diffusione di un fascio di neutroni da parte dell'elio superfluido è già un buon inizio. Tutti i neutroni parassiti diffusi dalle finestre del volume saranno catturati dagli assorbitori di neutroni che circondano il rivelatore per ridurre al minimo l'attivazione dei neutroni.
Il rilevatore vedrà anche Comptoneventi causati dall'emissione istantanea di radiazioni gamma durante la cattura di neutroni alle finestre di ingresso e di uscita. Apparirà come due lampi luminosi in una sequenza temporale e può essere utilizzato come riferimento di tempo e intensità per ricostruire la posizione degli eventi del segnale, calibrare il rivelatore e caratterizzare lo spettro del raggio.
Qual è la linea di fondo?
Questo nuovo metodo è fondamentalmente diverso daesperimenti esistenti sul raggio. Non richiede un forte campo magnetico. Utilizza un fascio pulsato con neutroni di energia molto inferiore. E il rivelatore a scintillazione di elio superfluido offre una serie chiara di effetti sistematici. Ovviamente ci sono molte difficoltà tecniche da superare. Nel suo articolo che descrive il nuovo approccio, Wei, uno sperimentatore nello studio delle particelle nell'elio superfluido, ha affermato di essere fiducioso che la nuova idea alla fine avrebbe aiutato a risolvere il mistero della vita dei neutroni e avrebbe fornito nuove opportunità per scoprire nuova fisica.
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Istituto nazionale statunitense di standard e tecnologia
J-PARC - complesso acceleratore di protoni peresigenze di fisica delle alte energie, fisica adronica e dei neutrini, scienza dei materiali. Situato vicino a Tokai, in Giappone, un progetto congiunto del KEK National High Energy Physics Laboratory e dell'agenzia JAEA per l'energia atomica.
Angstrom è un'unità di misura della lunghezza non sistemica pari a 10⁻¹⁰ m. Prende il nome dal fisico e astronomo svedese Anders Angstrom, che lo propose nel 1868.
Effetto Compton (Effetto Compton,Scattering di Compton) - dispersione incoerente di fotoni da parte del liberoelettroni, l'incoerenza significa che i fotoni prima e dopo la diffusione non interferiscono. L'effetto è accompagnato da un cambiamento nella frequenza dei fotoni, parte della cui energia viene trasferita agli elettroni dopo la dispersione.
Un angolo solido è una parte dello spazio, che è l'unione di tutti i raggi che emanano da un dato punto (topangolo) e intersecare una superficie (che è chiamata superficie,costrittivodato l'angolo solido). Casi particolari di angoli solidi sono gli angoli threedrali e poliedrici. Il confine di un angolo solido è una certa superficie conica.
Descrizione teorica del decadimento beta dei nucleiè stato sviluppato dal fisico Enrico Fermi, che ha introdotto la caratteristica più importante: la costante di accoppiamento di Fermi GFGF. Aiuta a determinare il valore assoluto della durata di vita dei nuclei in relazione al decadimento beta. Simultaneamente, E. Fermi ha calcolato la forma dello spettro beta degli elettroni di decadimento nel caso più semplice di transizioni beta consentite (la cosiddetta forma di Fermi dello spettro beta).
I decadimenti beta sono divisi in transizioni di tipo Fermi, in cui gli spin dei leptoni in uscita sono antiparalleli, e il tipo Gamow-Teller, in cui gli spin del leptone in uscita sono paralleli.
Un elettronvolt è un'unità di energia fuori sistema utilizzata nella fisica atomica e nucleare, nella fisica delle particelle elementari e in campi della scienza strettamente correlati e correlati.