中性子はどのくらい生きますか？
中性子の寿命は非常に基本的であり、理解することが重要です
8～9秒の差は4倍測定誤差は2秒。両者が一致する確率は 100 万分の 60 程度ですが、これは事実上不可能です。この数秒が中性子の寿命の謎を構成します。
2つの方法、2つの結果
そのため、科学者は2つの方法を使用して中性子の寿命を決定しました。それらはどのように機能しますか？
- ボトル方式
ボトル法では、中性子は中性子に安全な材料で作られた、または磁場と重力によって保持された魔法瓶に密封されています。それらは運動エネルギーが非常に低く、毎秒数メートルの速度で移動します。それらは超冷中性子（UCN）と呼ばれます。物理学者は、中性子を原子核から分離し、ボトルに入れて、しばらくしてそこに残っている中性子の数を数えます。その結果、科学者たちは、中性子は平均14分39秒で放射性崩壊すると結論付けています。
- レイ法
放射線実験には機械が使われます中性子束を生成します。科学者は、ビームの特定の体積の中の中性子の数を測定します。次に、流れを磁場を通して、電場と磁場によって形成される粒子トラップに導きます。中性子はトラップ内で崩壊し、物理学者はそこで残っている陽子の数を測定します。このような実験では、14分48秒での中性子の平均寿命が測定されます。
結果
これまでに7つの結果があります異なる設定と2つのビーム測定のみによる高精度のボトル測定。両方のビーム測定で、同じ方法、つまりペニングトラップが使用されました。崩壊生成物である陽子は、それによって捕捉され、十分に較正された検出器によってカウントされます。
ペニングトラップ自体は、均一な静磁場と空間的に不均一な電場を使用して荷電粒子を蓄積するデバイスです。このタイプのトラップは、イオンや電荷を持った安定した素粒子の特性を正確に測定するためによく使用されます。
ビームだけでなく、一般的に、比較と検証のためにさらに多くの実験が必要であることは間違いありません。
他の方法はありますか？
ビーム法では、物理学者がどの程度の量を決定するか決定します。中性子はベータ崩壊を起こします。中性子のベータ崩壊は、β 粒子 (電子) と反電子ニュートリノの放出を伴う、自由中性子の陽子への自発的変換であることを思い出してください。
ベータ崩壊パラメータの精密測定中性子 (寿命、粒子運動量と中性子のスピン間の角度相関) は、弱い相互作用の特性を決定するために重要です。これは基本的な相互作用であり、特に原子核のベータ崩壊と素粒子の弱い崩壊のプロセス、およびそれらの空間パリティおよび結合パリティの保存則の違反に関与します。核物理学と高エネルギー物理学にとって重要な他の 2 つの相互作用 (強相互作用と電磁相互作用) ははるかに大きな強度を特徴とするため、この相互作用は弱いと呼ばれます。ただし、基本的な相互作用の 4 番目である重力よりもはるかに強力です。
反ニュートリノの検出は困難です。世界をリードする検出器はしばしば巨大であり、太陽や原子力発電所のような強力なフラックス源を標的としています。ただし、1年に発生するイベントはごくわずかです。したがって、反ニュートリノはここでは役に立ちません。
陽子はどうですか？これまで、陽子を登録することにより、光線法で最高の精度を持つすべての結果が得られてきました。現在、方法を改善するための活発な作業が進行中です。たとえば、最新のBL3実験は、米国のNISTで準備中です。 J-PARCの研究者は最近、タイムプロジェクションチェンバー（TPC）を使用してベータ崩壊電子を検出することにより、予備的な中性子寿命の結果を発表しました。このようなチャンバーは、ドリフトチャンバーと比例チャンバーの組み合わせです。これらは、3つの座標すべてで同等の空間分解能を持つトラックの3次元電子画像を取得できるため、高エネルギー物理学で最も用途の広い機器です。日本の科学者の研究は、1989年にコサコウスキーらによって最初に提案された実験の復活です。彼らは現在、その精度を向上させるために取り組んでいます。
数十年の努力の後、光線法のすべての可能な経路を注意深く調査する必要があると想定することができます。
それとももっとオプションがありますか？
超流動ヘリウム時間
最近、彼の記事「新しい実験」「Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics」に掲載された「超流動ヘリウム 4 における冷中性子ビームの崩壊による中性子の寿命に関する研究」では、Wanchun Wei 博士が新しいアプローチを提案しました。つまり、超流動ヘリウム 4 シンチレーターを使用して、中性子の崩壊生成物、つまり電子を検出することです。この研究の著者は、米国のブラウン大学で物理学の博士号を取得し、ロスアラモス国立研究所で博士研究員を修了しました。彼は現在、米国カリフォルニア工科大学 (Caltech) のケロッグ放射線研究所で研究エンジニアとして働いています。
ロスアラモスのUNCtauで、ボトル法を使用して中性子寿命を測定する実験
魏の考えは変わったように聞こえます、そしてここに理由があります。
ほとんどの生涯実験中性子は、ガス粒子への中性子散乱を排除するために、高真空条件下で実行されます。例外はJ-PARC実験で、TPCは電子のベータ崩壊電荷を検出可能な電流に増幅するために作動ガスを必要とします。散乱中性子によって引き起こされるバックグラウンドイベントを特定して排除するには、高度な分析が必要です。
新しい方法は驚くべきおかげで機能します超流動ヘリウム、量子液体の特性。それは巨視的な量子波動関数を形成し、そのほとんどは基底状態に凝縮します。量子流体の基本励起は1947年にLandauによって予測され、非弾性中性子散乱によって確認されました。
超流動ヘリウム4の特徴は、摩擦なしで表面を流れ、非常に小さな細孔を流れ、それ自体の慣性のみに従うことです。
液体ヘリウムは超流動相にあります。それは超流動性を保ちながら、カップの壁に沿って薄い膜を作ります。それは外側から下降し、滴を形成し、下の液体に落ちます。別のドロップは — を形成します。カップが空になるまで同様に
中性子ビームを気体に通すのが難しい場合、なぜ液体を検討するのですか？
はい、中性子は超流動ヘリウムに散乱します、ただし、基本的な励起のみです。そして、エネルギー保存の法則と勢いが満たされなければなりません。コーエンとファインマンは、1957年に発表された論文で、中性子波長が16.5オングストロームを超えると散乱が発生しないことを示しました。これは、低エネルギーで長波長の中性子が、まるで真空であるかのように超流動ヘリウム4を通過できることを意味します。次に、これは、超流動ヘリウム4シンチレータを使用した新しいビーム実験の提案を裏付けています。
シンチレータとしての超流動ヘリウム4
最初のシンチレーション検出器は硫化亜鉛（ZnS）の層で覆われたスクリーン。荷電粒子がそれに当たったときに発生したフラッシュは、顕微鏡を使用して記録されました。ガイガーとマースデンが1909年に金原子によるアルファ粒子の散乱に関する実験を行ったのはそのような検出器であり、それが原子核の発見につながりました。 1944年以来、シンチレータからの閃光は光電子増倍管（PMT）によって記録されてきました。その後、フォトダイオードもこれらの目的に使用されました。
シンチレータは有機物 (結晶、プラスチック、または液体) または無機物 (結晶またはガラス) の場合があります。ガス状シンチレーターも使用されます。
超流動ヘリウム4は候補としてよく研究されていますニュートリノと暗黒物質のシンチレーション検出器に。運動エネルギーの高い荷電粒子が超流動ヘリウム4と衝突すると、ヘリウム原子がイオン化されて励起され、シンチレーション光を放出します。このプロセスは非常に複雑ですが、一般に、放出される光子の数は荷電粒子のエネルギーに直線的に比例します。放出された電子は、ベータ崩壊で放出された核エネルギーからゼロから782keVの範囲の運動エネルギーを運びます。したがって、崩壊した中性子の数は、シンチレーション周波数から計算できます。
その間、中性子束を制御する必要がありますパルスビーム。これは、中性子を捕獲し、陽子とトリトンに変換し、764keVのエネルギーを放出する同位体ヘリウム3で行うことができます。このようなキャプチャイベントのレートは、ビームフラックスに比例します。これらのイベントは、コアのキックバックを表しています。それどころか、崩壊は電子の供与です。したがって、キャプチャイベントとディケイイベントでは、シンチレーション信号に異なるシグネチャのセットがあります。瞬間的な輝きでは、キャプチャイベントは、減衰イベントよりもエネルギー入力の単位あたりに生成されるフォトンがはるかに少なくなります。捕獲イベントは数十ミクロンの短い停止範囲を持ち、崩壊イベントは最大2 cmの長い軌跡を持ちます。類推すると、一方は超新星のように見え、もう一方は流星のように見えます。さらに、それらは持続性の減衰率において明確な振る舞いをします。
究極の精度
中性子寿命の謎を解く秘訣は高精度です。新しい実験は、精度が0.1％または1秒未満に達する可能性がある場合にのみ意味があります。
すべてを登録することはほとんど不可能ですベータ崩壊電子。それらのいくつかはエネルギーが低すぎて適切なシンチレーション光を得ることができないためです。しかし、抜け道があります。一方では、提案された検出器は、ビーム軸に沿った位置分解能を提供します。中央エリアのイベントのみが高精度のデータ分析に使用されます。一方、できるだけ多くの光を集めることができます。検出器は、中央領域のイベントの立体角の96％以上をカバーするように設計されているため、ベータ崩壊電子のエネルギーを正確に回収できます。これらのイベントの多くは、フェルミ理論によって十分に説明されている正確なβ崩壊スペクトルを構成しています。ちらつきが少ないため、スペクトルの下部が欠落している可能性があります。
さらに、バックグラウンドイベントの抑制が重要です。特に散乱中性子に関連しています。超流動ヘリウムによる中性子ビームの散乱がないことは、すでに良いスタートです。ボリュームウィンドウから散乱されたすべての寄生中性子は、中性子活性化を最小限に抑えるために、検出器を囲む中性子吸収体によって捕捉されます。
検出器はコンプトンも認識します入口と出口の窓で中性子を捕獲している間にガンマ線が瞬間的に放出されることによって引き起こされるイベント。これは、時系列で2つの明るいバーストとして表示され、信号イベントの位置を再構築し、検出器を較正し、ビームのスペクトルを特徴付けるための時間と強度の参照として使用できます。
一番下の行は何ですか？
この新しい方法は、根本的に異なります既存のビーム実験。強い磁場を必要としません。それははるかに低いエネルギーの中性子を持つパルスビームを使用します。また、超流動ヘリウムシンチレーション検出器は、明確な体系的効果を提供します。もちろん、克服しなければならない技術的な困難はたくさんあります。新しいアプローチを説明する彼の記事の中で、超流動ヘリウム中の粒子の研究の実験者である魏は、新しいアイデアが最終的に中性子寿命の謎を解き、新しい物理学を発見するための新しい機会を提供するのに役立つと確信していると述べました。
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J-PARC-プロトン加速器複合体高エネルギー物理学、ハドロンおよびニュートリノ物理学、素粒子科学のニーズ。 KEK国立高エネルギー物理学研究所とJAEA原子力機関の共同プロジェクトである東海の近くにあります。
オングストロームは、10⁻¹⁰mに等しい長さ測定の非体系的な単位です。これは、1868年に提案したスウェーデンの物理学者で天文学者のアンデルスオングストロームにちなんで名付けられました。
コンプトン効果（コンプトン効果、コンプトン散乱）-自由による光子の非コヒーレント散乱電子、インコヒーレンスとは、散乱の前後の光子が干渉しないことを意味します。この効果には、光子の周波数の変化が伴い、そのエネルギーの一部は散乱後に電子に伝達されます。
立体角は空間の一部であり、特定の点から放射されるすべての光線の和集合です（トップス角度）といくつかの面（これをサーフェスと呼びます）と交差します。収縮与えられた立体角)。立体角の特殊なケースは、三面体角と多面体角です。立体角の境界はある円錐面です。
原子核のベータ崩壊の理論的記述最も重要な特性であるフェルミ相互作用定数GFGFを導入した物理学者エンリコフェルミによって開発されました。ベータ崩壊に関連する核の寿命の絶対値を決定するのに役立ちます。同時に、E。フェルミは、許可されたベータ遷移の最も単純なケース（ベータスペクトルのいわゆるフェルミ形式）で崩壊電子のベータスペクトルの形状を計算しました。
ベータ崩壊は、出て行くレプトンのスピンが逆平行であるフェルミ型遷移と、出て行くレプトンのスピンが平行であるガモウ-テラー型に分けられます。
電子ボルトは、原子核物理学、素粒子物理学、および密接に関連する科学分野で使用されるエネルギーのオフシステム単位です。