כמה זמן חי נויטרון?
משך החיים של הנייטרונים הוא כל כך בסיסי וחשוב להבנה
ההפרש של 8-9 שניות גדול פי ארבעהשגיאת מדידה של שתי שניות. הסיכוי שהם מסכימים זה עם זה הוא בערך 60 למיליון, וזה כמעט בלתי אפשרי. שניות אלו מהוות את המסתורין של חיי הנייטרונים.
שתי שיטות, שתי תוצאות
אז מדענים השתמשו בשתי שיטות לקביעת חייו של נויטרון. איך הם עובדים?
- שיטת בקבוקים
בשיטת הבקבוק, נויטרונים יכולים להיותאטום בבקבוק ואקום עשוי מחומר בטוח נויטרונים או מוחזק על ידי שדות מגנטיים וכוח המשיכה. יש להם אנרגיה קינטית נמוכה במיוחד ונעים במהירות של כמה מטרים לשנייה. הם נקראים נויטרונים אולטרה-קרדיים (UCN). פיזיקאים מפרידים נויטרונים מגרעיני האטומים, מכניסים אותם לבקבוק ואז סופרים כמה מהם נשארים שם לאחר זמן מה. כתוצאה מכך מסיקים מדענים כי נויטרונים מתפוררים באופן רדיואקטיבי בממוצע 14 דקות ו 39 שניות.
- שיטת ריי
ניסויי קרינה משתמשים במכונותשיוצרים שטפי נויטרונים. מדענים מודדים את מספר הנייטרונים בנפח מסוים של האלומה. לאחר מכן הם מכוונים את הזרימה דרך שדה מגנטי לתוך מלכודת חלקיקים שנוצרה על ידי השדות החשמליים והמגנטיים. הנייטרונים מתכלים במלכודת, שבה מודדים פיזיקאים את מספר הפרוטונים שנותרו. בניסויים כאלה הם קובעים את משך החיים הממוצע של נויטרונים ב-14 דקות ו-48 שניות.
תוצאות
ישנן שבע תוצאות עד כהמדידות בקבוקים ברמת דיוק גבוהה עם הגדרות שונות ושתי מדידות קרן בלבד. בשתי מדידות הקורה נהגה אותה שיטה - מלכודת הפנינג. מוצר הריקבון, הפרוטונים, נלכד על ידיו ונספר על ידי גלאי מכויל היטב.
מלכודת פנינג עצמה מייצגתהוא מכשיר המשתמש בשדה מגנטי סטטי אחיד ובשדה חשמלי לא הומוגני מבחינה מרחבית כדי לאחסן חלקיקים טעונים. סוג זה של מלכודת משמש לעתים קרובות כדי לבצע מדידות מדויקות של תכונות של יונים וחלקיקים תת-אטומיים יציבים בעלי מטען חשמלי.
אין ספק כי נדרשים ניסויים נוספים לצורך השוואה ואימות, לא רק עם הקורה, אלא באופן כללי.
האם יש דרכים אחרות?
בשיטת הקורה, פיזיקאים קובעים כמהנויטרונים עוברים ריקבון בטא. הבה נזכיר שדעיכת בטא של נויטרונים היא הטרנספורמציה ספונטנית של נויטרון חופשי לפרוטון עם פליטת חלקיק β (אלקטרון) ואנטי-ניוטרינו של אלקטרונים.
מדידות מדויקות של פרמטרי דעיכה בטאנויטרונים (לאורך חיים, מתאמים זוויתיים בין מומנט חלקיקים וספין נויטרונים) חשובים לקביעת המאפיינים של האינטראקציה החלשה. זוהי אינטראקציה בסיסית, האחראית במיוחד לתהליכי התפרקות בטא של גרעיני אטום והתפרקות חלשה של חלקיקים יסודיים, כמו גם הפרות של חוקי שימור השוויון המרחבי והמשולב בהם. אינטראקציה זו נקראת חלשה, מכיוון ששתי האינטראקציות האחרות, המשמעותיות לפיזיקה גרעינית ולפיזיקה עתירת אנרגיה (חזקה ואלקטרומגנטית), מתאפיינות בעוצמה גדולה בהרבה. עם זאת, זה הרבה יותר חזק מהרביעית מבין האינטראקציות הבסיסיות, הכבידה.
איתור אנטי-נוטרינו קשה.הגלאים המובילים בעולם הם לעתים קרובות ענקיים והם מכוונים למקור שטף אינטנסיבי כמו השמש או תחנת כוח גרעינית. עם זאת, רק כמה אירועים מתרחשים בשנה. אז אנטי-נוטרינו לא יעזור כאן.
מה עם הפרוטון?עד כה כל התוצאות עם הדיוק הטוב ביותר בשיטת הקרן הושגו על ידי רישום פרוטונים. כעת מתבצעת עבודה פעילה לשיפור השיטה. לדוגמא, ניסוי BL3 מודרני נמצא בהכנה ב- NIST, ארה"ב. חוקרים ב- J-PARC הודיעו לאחרונה על תוצאת חיי הנויטרונים המוקדמת שלהם על ידי איתור אלקטרונים של ריקבון בטא באמצעות תא הקרנה בזמן (TPC). תאים כאלה הם שילוב של סחף ותאים פרופורציונליים. הם המכשיר הרב-תכליתי ביותר בפיזיקה באנרגיה גבוהה, מכיוון שהם מאפשרים לקבל תמונה אלקטרונית תלת-ממדית של מסלול עם רזולוציה מרחבית דומה בכל שלושת הקואורדינטות. עבודתם של מדענים יפנים היא התחדשות של ניסוי שהוצע לראשונה על ידי קוסקובסקי ואח 'בשנת 1989. כעת הם פועלים לשיפור הדיוק שלו.
לאחר עשרות שנים של מאמץ, ניתן להניח כי יש לבחון היטב את כל המסלולים האפשריים של שיטת הקרן.
או שיש אפשרויות נוספות?
זמן הליום נוזלי
לאחרונה, במאמרו "ניסוי חדשעל חייו של נויטרון עם דעיכה של קרן של נויטרונים קרים בהליום-4-על-נוזל", שפורסם ב-Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, ד"ר וואנצ'ון ווי הציע גישה חדשה. כלומר, להשתמש ב-scintillator הליום-4-על-נוזל כדי לזהות את תוצר ההתפרקות של נויטרון - אלקטרון. מחבר המחקר קיבל את הדוקטורט שלו בפיזיקה מאוניברסיטת בראון, ארה"ב והשלים את מלגת הפוסט-דוקטורט שלו במעבדה הלאומית של לוס אלמוס. כיום הוא עובד כמהנדס מחקר במעבדת Kellogg Radiation Laboratory, המכון הטכנולוגי של קליפורניה, ארה"ב (Caltech).
התנסו ב- UNCtau בלוס אלמוס בשיטת הבקבוק למדידת חיי הנויטרונים
הרעיון של וואי נשמע יוצא דופן, והנה הסיבה.
רוב הניסויים לכל החייםנויטרונים מבוצעים בתנאי ואקום גבוהים כדי לא לכלול פיזור נויטרונים על חלקיקי גז. יוצא מן הכלל הוא ניסוי J-PARC, שבו ה- TPC דורש גז עבודה כדי להגביר את מטען הריקבון בטא של אלקטרון לזרם הניתן לזיהוי. נדרש ניתוח מתוחכם כדי לזהות ולסלק אירועי רקע הנגרמים על ידי נויטרונים מפוזרים.
השיטה החדשה תעבוד בזכות מדהיםתכונות של הליום נוזלי, נוזל קוונטי. הוא יוצר פונקציית גל קוונטית מקרוסקופית, ורובו מתעבה למצב הקרקע. עירויות אלמנטריות בנוזל קוונטי ניבאו על ידי לנדאו בשנת 1947 ואושרו על ידי פיזור נויטרונים לא אלסטי.
המוזרות של הליום -4 הנוזלי היא בכך שהוא זורם ללא חיכוך על פני שטח כלשהו, זורם דרך נקבוביות קטנות מאוד, ומציית רק לאינרציה שלו.
הליום נוזלי נמצא בשלב על-נוזל.בזמן שהוא נשאר נוזלי, הוא זוחל לאורך דופן הכוס בסרט דק. הוא יורד מבחוץ ויוצר טיפה שתיפול לתוך הנוזל שמתחתיו. תיווצר טיפה נוספת — וכן הלאה עד שהכוס תתרוקן
אם העברת קרן נויטרונים דרך גז היא בעייתית, מדוע לשקול נוזל?
כן, נויטרונים מפוזרים בהליום מיותר.אלא רק על התרגשויות אלמנטריות. ויש לעמוד בתנאי שמירת האנרגיה והמומנטום. כהן ופיינמן הראו במאמרם שפורסם בשנת 1957 כי הפיזור אינו מתרחש אם אורך גל הנויטרונים עולה על 16.5 אנגסטרום. משמעות הדבר היא כי נויטרונים בעלי אנרגיה נמוכה באורך גל ארוך יכולים לנוע דרך הליום 4 נוזלי כאילו היה ואקום. בתורו, הדבר מאשש את ההצעה לניסוי קרן חדש עם מזרנט הליום -4 נוזלי.
הליום -4 נוזלי כמינטר
גלאי הניצוץ הראשון היהמסך מכוסה בשכבת אבץ גופרתי (ZnS). ההבזקים שהתרחשו כאשר חלקיקים טעונים פגעו בו נרשמו באמצעות מיקרוסקופ. זה היה עם גלאי כזה שגייגר ומרסדן ערכו ניסוי על פיזור חלקיקי אלפא על ידי אטומי זהב בשנת 1909, מה שהוביל לגילוי גרעין האטום. מאז 1944 נרשמו הבזקי אור מהמינטר על ידי צינורות פוטו-מגדלים (PMT). מאוחר יותר שימשו גם פוטודיודות למטרות אלה.
הניצוץ יכול להיות אורגני (גבישים, פלסטיק או נוזלים) או אנאורגניים (גבישים או כוסות). נעשה שימוש גם בנצנצני גזים.
הליום -4 נוזלי נלמד היטב כמועמדלגלאי הניצחון של ניטרינים וחומר אפל. כאשר חלקיקים טעונים בעלי אנרגיה קינטית גבוהה מתנגשים בהליום -4 נוזלי, אטומי ההליום מיוננים, נרגשים ופולטים אור מנצנץ. התהליך מורכב למדי, אך באופן כללי, מספר הפוטונים הנפלטים הוא פרופורציונלי ליניארי לאנרגיה של החלקיק הטעון. האלקטרון המשוחרר נושא אנרגיה קינטית בטווח שבין אפס ל 782 קילו וולט מהאנרגיה הגרעינית המשתחררת בריקבון בטא. לפיכך, ניתן לחשב את מספר הנויטרונים שנרקבו מתדירות הניצחון.
בינתיים יש צורך לשלוט בשטף הנויטרוניםקרן פועמת. ניתן לעשות זאת באמצעות האיזוטופ הליום -3, הלוכד נויטרון, הופך לפרוטון וטריטון ומשחרר 764 קילוואט אנרגיה. קצב אירועי הלכידה הללו פרופורציונלי לשטף הקורה. אירועים אלה מייצגים את החזרת הליבות. נהפוך הוא, ריקבון הוא תרומת אלקטרונים. לכן, אירועי לכידה וריקבון כוללים קבוצה אחרת של חתימות באות הניצוץ. בזוהר מיידי, אירוע לכידה מייצר הרבה פחות פוטונים ליחידת קלט אנרגיה מאשר אירוע ריקבון. לאירוע הלכידה טווח עצירה קצר של עשרות מיקרונים, ואילו לאירוע הריקבון יש מסלול ארוך של עד 2 ס"מ. באנלוגיה, אחד נראה כמו סופרנובה, והשני כמו מטאור. בנוסף, יש להם התנהגות מובהקת בשיעור הדעיכה של ההתמדה.
דיוק אולטימטיבי
המפתח לפתרון תעלומת חיי הנויטרונים הוא דיוק גבוה. הניסוי החדש הגיוני רק אם הדיוק יכול להגיע ל 0.1% או פחות משנייה אחת.
כמעט בלתי אפשרי לרשום הכלאלקטרוני ריקבון בטא, מכיוון שלחלקם יש אנרגיה נמוכה מדי בכדי להשיג אור מנצנץ. אבל יש מוצא. מצד אחד, הגלאי המוצע יספק רזולוציית מיקום לאורך ציר הקורה. רק אירועים באזור המרכז ישמשו לניתוח נתונים מדויק ביותר. מצד שני, אתה יכול לאסוף כמה שיותר אור. הגלאי מתוכנן לכסות יותר מ 96% מזווית האירועים המוצקה באזור המרכז, כך שניתן יהיה להחזיר במדויק את האנרגיה של אלקטרוני ריקבון בטא. מספר גדול של אירועים אלה מהווים את ספקטרום הפירוק המדויק, המתואר היטב על ידי תורת פרמי. החלק התחתון של הספקטרום עלול להיעדר בגלל הבהוב נמוך.
בנוסף, דיכוי אירועי רקע חשוב,קשור במיוחד לנויטרונים מפוזרים. היעדר פיזור קרן נויטרונים על ידי הליום נוזלי הוא כבר התחלה טובה. כל הנויטרונים הטפיליים המפוזרים מחלונות הנפח יתפסו על ידי בולמי נויטרונים המקיפים את הגלאי כדי למזער את הפעלת הנויטרונים.
הגלאי יראה גם את קומפטוןאירועים הנגרמים מפליטה מיידית של קרינת גמא במהלך לכידת הנויטרונים בחלונות הכניסה והיציאה. זה יופיע כשני פרצים בהירים ברצף זמן ויכול לשמש כנקודת זמן ועוצמה לשחזור המיקום של אירועי האות, כיול הגלאי ואפיון הספקטרום של הקורה.
מה השורה התחתונה?
שיטה חדשה זו שונה מהותית מניסויי קרן קיימים. אינו מצריך שדה מגנטי חזק. הוא משתמש בקרן פועמת עם נויטרונים בעלי אנרגיה נמוכה בהרבה. וגלאי הניצחון ההליום העל-נוזלי מציע סט ברור של אפקטים שיטתיים. כמובן, ישנם קשיים טכניים רבים להתגבר עליהם. במאמרו שתיאר את הגישה החדשה אמר וויי, הנסיין בחקר חלקיקים בהליום נוזלי, שהוא בטוח כי הרעיון החדש יסייע בסופו של דבר לפתור את תעלומת חיי הנויטרונים ולספק הזדמנויות חדשות לגילוי פיזיקה חדשה.
קרא עוד
מצאתי סוג חדש של חור שחור שאינו מתאים לתורת היחסות
הפלה ומדע: מה יקרה לילדים שילדו
מדענים פיתחו תחליף לתורת היחסות. מה המהות של "תיאוריית הכל"?
דיוק גבוה
המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארה"ב
J-PARC - קומפלקס מאיץ פרוטונים עבורהצרכים של פיסיקה באנרגיה גבוהה, פיסיקה הדרונית ונייטרינו, מדע חומרים. ממוקם ליד טוקאי, יפן, פרויקט משותף של המעבדה הלאומית לאנרגיה גבוהה בפיזיקה KEK וסוכנות האנרגיה האטומית JAEA.
אנגסטרום היא יחידה לא מערכתית של מדידת אורך השווה ל 10⁻¹⁰ מ '. היא נקראת על שם הפיזיקאי והאסטרונום השוודי אנדרס אנגסטרום, שהציע אותה בשנת 1868.
אפקט קומפטון (אפקט קומפטון,פיזור קומפטון) - פיזור לא קוהרנטי של פוטונים על ידי חינםאלקטרונים, חוסר קוהרנטיות פירושו שפוטונים לפני ואחרי הפיזור אינם מפריעים. ההשפעה מלווה בשינוי בתדירות הפוטונים שחלק מהאנרגיה מועברת לאלקטרונים לאחר הפיזור.
זווית מוצקה היא חלק מהחלל, שהוא האיחוד של כל הקרניים הנובעות מנקודה נתונה (צמרותזווית) וחוצה משטח כלשהו (שנקרא משטח,מכווץנתון זווית מוצקה). מקרים מיוחדים של זוויות מוצקות הן זוויות תלת-הדרלית ופוליהדרלית. הגבול של זווית מוצקה הוא משטח חרוטי מסוים.
תיאור תיאורטי של ריקבון בטא של גרעיניםפותח על ידי הפיזיקאי אנריקו פרמי, שהציג את המאפיין החשוב ביותר - צימוד קבוע של פרמי GFGF. זה עוזר לקבוע את הערך המוחלט של חיי הגרעין ביחס לריקבון בטא. במקביל, א 'פרמי חישב את צורת ספקטרום הבטא של אלקטרוני ריקבון במקרה הפשוט ביותר של מעברי בטא מותרים (מה שנקרא צורת פרמי של ספקטרום הבטא).
ריקבונות בטא מתחלקים למעברים מסוג פרמי, בהם הסיבובים של הלפטונים היוצאים הם אנטי-מקבילים, וסוג Gamow-Teller, שבו סיבובי הלפטון היוצאים מקבילים.
וולט אלקטרונים הוא יחידת אנרגיה מחוץ למערכת המשמשת בפיזיקה אטומית וגרעינית, בפיזיקת חלקיקים אלמנטריים ובתחומי מדע קרובים וקשורים זה לזה.