Kaip ilgai gyvena neutronas?
Neutronų gyvavimo trukmė yra tokia esminė ir svarbu suprasti
8-9 sekundžių skirtumas yra keturis kartus didesnisdviejų sekundžių matavimo paklaida. Tikimybė, kad jie susitars vienas su kitu, yra maždaug 60 iš 1 milijono, o tai praktiškai neįmanoma. Šios sekundės yra neutrono gyvavimo trukmės paslaptis.
Du metodai, du rezultatai
Taigi, mokslininkai neutrono gyvenimui nustatyti naudojo du metodus. Kaip jie veikia?
- Butelio metodas
Taikant butelio metodą, neutronai gali būtisandariai uždarytas vakuuminiame butelyje, pagamintame iš neutronams saugios medžiagos arba kurį laiko magnetiniai laukai ir gravitacija. Jie turi ypač mažą kinetinę energiją ir juda kelių metrų per sekundę greičiu. Jie vadinami ultracold neutronais (UCN). Fizikai atskiria neutronus nuo atomų branduolių, įdeda juos į butelį ir paskaičiuoja, kiek jų ten liko po kurio laiko. Dėl to mokslininkai daro išvadą, kad neutronai radioaktyviai suyra vidutiniškai per 14 minučių ir 39 sekundes.
- Ray metodas
Radiaciniams eksperimentams naudojamos mašinoskurios sukuria neutronų srautus. Mokslininkai matuoja neutronų skaičių tam tikrame pluošto tūryje. Tada jie nukreipia srautą per magnetinį lauką į dalelių gaudyklę, kurią sudaro elektriniai ir magnetiniai laukai. Neutronai skyla spąstuose, kur fizikai matuoja likusių protonų skaičių. Tokiuose eksperimentuose jie nustato vidutinį neutronų gyvavimo laiką 14 minučių 48 sekundės.
Rezultatai
Iki šiol yra septyni rezultataididelio tikslumo butelių matavimai su skirtingais nustatymais ir tik dviem spindulių matavimais. Atliekant abu spindulių matavimus, buvo naudojamas tas pats metodas - „Penning“ gaudyklė. Skilimo produktą - protonus - jis užfiksuoja ir suskaičiuoja gerai sukalibruotu detektoriumi.
Penningo spąstai atstovauja patysyra įrenginys, kuris naudoja vienodą statinį magnetinį lauką ir erdviškai nehomogenišką elektrinį lauką įkrautoms dalelėms laikyti. Šio tipo spąstai dažnai naudojami tiksliai išmatuoti jonų ir stabilių subatominių dalelių, turinčių elektros krūvį, savybes.
Neabejotina, kad norint palyginti ir patikrinti ne tik su sija, bet ir apskritai, reikia daugiau eksperimentų.
Ar yra kitų būdų?
Spindulio metodu fizikai nustato, kiekneutronai patiria beta skilimą. Prisiminkime, kad neutronų beta skilimas – tai spontaniškas laisvojo neutrono pavertimas protonu, išspinduliuojant β dalelę (elektroną) ir elektronų antineutriną.
Tikslūs beta skilimo parametrų matavimaineutronas (gyvenimo trukmė, kampinės koreliacijos tarp dalelių momento ir neutronų sukimosi) yra svarbūs nustatant silpnosios sąveikos savybes. Tai yra esminė sąveika, ypač atsakinga už atomų branduolių beta skilimo procesus ir silpną elementariųjų dalelių skilimą, taip pat už erdvinio ir kombinuoto pariteto išsaugojimo įstatymų pažeidimus. Ši sąveika vadinama silpnąja, nes kitos dvi sąveikos, reikšmingos branduolinei fizikai ir didelės energijos fizikai (stipriajai ir elektromagnetinei), pasižymi daug didesniu intensyvumu. Tačiau jis yra daug stipresnis nei ketvirtoji iš pagrindinių sąveikų – gravitacinė.
Antineutrino aptikti sunku.Pagrindiniai pasaulio detektoriai dažnai būna milžiniški ir nukreipti į intensyvų srauto šaltinį, pavyzdžiui, Saulę ar atominę elektrinę. Tačiau per metus įvyksta tik keli įvykiai. Taigi antineutrinas čia nepadės.
O protonas?Iki šiol visi tikslumo spindulių metodu rezultatai buvo gauti registruojant protonus. Dabar vyksta aktyvus metodo tobulinimo darbas. Pavyzdžiui, NIST, JAV, rengiamas modernizuotas BL3 eksperimentas. J-PARC tyrėjai neseniai paskelbė savo preliminarų neutronų gyvenimo rezultatą, nustatydami beta skilimo elektronus, naudodami laiko projekcijos kamerą (TPC). Tokios kameros yra dreifuojančių ir proporcingų kamerų derinys. Jie yra universaliausias didelės energijos fizikos instrumentas, nes jie leidžia gauti trimatį takelio elektroninį vaizdą, kurio erdvinė skiriamoji geba yra panaši į visas tris koordinates. Japonijos mokslininkų darbas yra eksperimento, kurį pirmą kartą pasiūlė Kossakowski ir kt., 1989 m., Atgaivinimas. Dabar jie siekia pagerinti jo tikslumą.
Po dešimtmečių pastangų galima manyti, kad reikėtų atidžiai ištirti visus galimus spindulių metodo kelius.
O gal yra daugiau galimybių?
Skysto helio laikas
Neseniai savo straipsnyje „Naujas eksperimentasapie neutrono gyvavimo trukmę su šaltų neutronų pluošto skilimu superskystame helio-4“, – publikuotas žurnale „Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics“, daktaras Wanchun Wei pasiūlė naują požiūrį. Būtent naudoti superskysčio helio-4 scintiliatorių, kad būtų galima aptikti neutrono skilimo produktą - elektroną. Tyrimo autorius įgijo fizikos mokslų daktaro laipsnį Browno universitete, JAV, o baigė doktorantūros studijas Los Alamos nacionalinėje laboratorijoje. Šiuo metu jis dirba tyrimų inžinieriumi Kellogg Radiation Laboratory, Kalifornijos technologijos institutas, JAV (Caltech).
Eksperimentuokite UNCtau Los Alamos mieste, naudodami butelio metodą neutronų gyvavimo trukmei išmatuoti
Wei idėja skamba neįprastai, ir štai kodėl.
Dauguma viso gyvenimo eksperimentųneutronai atliekami didelio vakuumo sąlygomis, kad būtų išvengta neutronų sklaidos ant dujų dalelių. Išimtis yra J-PARC eksperimentas, kai TPC reikalingos darbinės dujos, kad sustiprintų elektrono beta skilimo krūvį iki aptinkamos srovės. Norint nustatyti ir pašalinti išsklaidytų neutronų foninius įvykius, reikalinga sudėtinga analizė.
Naujas metodas veiks dėka nuostabausskystojo helio, kvantinio skysčio savybės. Jis suformuoja makroskopinę kvantinių bangų funkciją ir didžioji jos dalis kondensuojasi į pagrindinę būseną. 1947 m. Landau numatė elementarius sužadinimus kvantiniame skystyje ir patvirtino neelastinga neutronų sklaida.
Superskysto helio-4 ypatumas yra tas, kad jis be trinties teka bet kokiu paviršiumi, teka labai mažomis poromis, paklusdamas tik savo inercijai.
Skystas helis yra superskysčio fazėje.Nors jis lieka superskystis, jis šliaužia išilgai puodelio sienelės plona plėvele. Jis nusileidžia iš išorės, sudarydamas lašą, kuris pateks į žemiau esantį skystį. Susiformuos dar vienas lašas — ir taip, kol puodelis bus tuščias
Jei neutronų pluoštą praleisti per dujas yra problemiška, kodėl verta laikyti skysčiu?
Taip, neutronai yra išsklaidyti superkystame helyje,bet tik dėl elementarių sužadinimų. Turi būti įvykdyta energijos ir impulso išsaugojimo sąlyga. Cohenas ir Feynmanas savo 1957 m. Paskelbtame darbe parodė, kad sklaida nevyksta, jei neutrono bangos ilgis viršija 16,5 angstremo. Tai reiškia, kad mažos energijos, ilgos bangos ilgio neutronai gali skristi per superkystą helį-4, tarsi tai būtų vakuumas. Savo ruožtu tai patvirtina pasiūlymą atlikti naują spindulių eksperimentą su superkystu helio-4 scintiliatoriumi.
Skystas helis-4 kaip scintiliatorius
Pirmasis scintiliacijos detektorius buvoekranas, padengtas cinko sulfido (ZnS) sluoksniu. Blykstės, įvykusios patekus į ją įkrautoms dalelėms, buvo užfiksuotos naudojant mikroskopą. Būtent tokiu detektoriumi Geigeris ir Marsdenas 1909 metais atliko aukso atomų alfa dalelių išsklaidymo eksperimentą, kuris leido atrasti atomo branduolį. Nuo 1944 metų šviesos blyksniai iš scintiliatoriaus buvo užfiksuoti fotokomplikatoriaus vamzdeliais (PMT). Vėliau šiems tikslams buvo naudojami ir fotodiodai.
Scintiliatorius gali būti organinis (kristalai, plastikai arba skysčiai) arba neorganinis (kristalai arba stiklai). Taip pat naudojami dujiniai scintiliatoriai.
Skystas helis-4 yra gerai ištirtas kaip kandidatasį neutrinų ir tamsiosios medžiagos scintiliacijos detektorių. Kai įkrovos dalelės, turinčios didelę kinetinę energiją, susiduria su superkystu heliu-4, helio atomai jonizuojami, sužadinami ir skleidžia scintiliacinę šviesą. Procesas yra gana sudėtingas, tačiau apskritai išskiriamų fotonų skaičius yra tiesiškai proporcingas įkrautos dalelės energijai. Išlaisvintas elektronas perduoda kinetinę energiją nuo nulio iki 782 keV nuo išsiskyrusios branduolinės energijos beta skilimo metu. Taigi sunykusių neutronų skaičių galima apskaičiuoti pagal scintiliacijos dažnį.
Tuo tarpu būtina kontroliuoti neutronų srautąimpulsinis pluoštas. Tai galima padaryti su izotopu helis-3, kuris užfiksuoja neutroną, paverčiamas protonu ir tritonu ir išleidžia 764 keV energijos. Tokių fiksavimo įvykių greitis yra proporcingas pluošto srautui. Šie įvykiai atspindi šerdies atatranką. Priešingai, skilimas yra elektronų donorystė. Todėl fiksavimo ir skilimo įvykiai turi skirtingą parašų rinkinį scintiliacijos signale. Akimirksniu švytėdamas fiksavimo įvykis sukuria daug mažiau fotonų vienam suvartojamos energijos vienetui nei skilimo įvykis. Gaudymo įvykis turi trumpą dešimčių mikronų sustojimo diapazoną, o skilimo įvykis turi ilgą iki 2 cm taką. Pagal analogiją viena atrodo kaip supernova, kita - kaip meteoras. Be to, jie turi aiškų išsilaikymo skilimo laipsnį.
Didžiausias tikslumas
Raktas siekiant išspręsti neutronų gyvenimo trukmės paslaptį yra didelis tikslumas. Naujas eksperimentas turi prasmę tik tuo atveju, jei tikslumas gali siekti 0,1% arba mažiau nei 1 sekundė.
Beveik neįmanoma visų užregistruotibeta skilimo elektronai, nes kai kurių jų energija yra per maža, kad gautų reikiamą scintiliacinę šviesą. Tačiau yra išeitis. Viena vertus, siūlomas detektorius užtikrins padėties skiriamąją gebą išilgai spindulio ašies. Tik tikslioms duomenų analizėms bus naudojami tik centrinės zonos įvykiai. Kita vertus, galite surinkti kuo daugiau šviesos. Detektorius skirtas padengti daugiau kaip 96% kietojo įvykių kampo centrinėje srityje, kad būtų galima tiksliai atkurti beta skilimo elektronų energiją. Didelis šių įvykių skaičius sudaro tikslų β skilimo spektrą, kurį gerai apibūdina Fermi teorija. Apatinė spektro dalis gali trūkti dėl mažo mirgėjimo.
Be to, svarbu slopinti foninius įvykius,ypač susijęs su išsibarsčiusiais neutronais. Nebėra neutronų pluošto sklaidos superkystu heliu - tai jau gera pradžia. Visus parazitinius neutronus, išsibarsčiusius iš tūrio langų, užfiksuos neutronai, sugeriantys detektorių, kad sumažintų neutronų aktyvaciją.
Detektorius taip pat matys „Compton“įvykiai, kuriuos sukelia momentinė gama spinduliuotės emisija, gaudant neutronus prie įėjimo ir išėjimo langų. Jis bus rodomas kaip du ryškūs protrūkiai laiko seka ir gali būti naudojami kaip laiko ir intensyvumo nuoroda rekonstruojant signalo įvykių padėtį, kalibruojant detektorių ir apibūdinant spindulio spektrą.
Kokia esmė?
Šis naujas metodas iš esmės skiriasi nuoesamus spindulių eksperimentus. Nereikalauja stipraus magnetinio lauko. Jis naudoja impulsinį spindulį su daug mažesnės energijos neutronais. Superskystojo helio scintiliacijos detektorius siūlo aiškų sisteminių efektų rinkinį. Žinoma, yra daug techninių sunkumų, kuriuos reikia įveikti. Straipsnyje, kuriame aprašomas naujas požiūris, Wei, super skysčio helio dalelių tyrimo eksperimentuotojas, teigė esąs įsitikinęs, kad naujoji idėja galiausiai padės išspręsti neutronų gyvenimo paslaptį ir suteiks naujų galimybių atrasti naują fiziką.
Skaityti daugiau
Surado naujos rūšies juodąją skylę, kuri netelpa į reliatyvumo teoriją
Abortas ir mokslas: kas nutiks gimdantiems vaikams
Mokslininkai sukūrė reliatyvumo teorijos pakaitalą. Kokia yra „visko teorijos“ esmė?
Didelis tikslumas
JAV Nacionalinis standartų ir technologijų institutas
J-PARC - protonų greitintuvo kompleksasdidelės energijos fizikos, hadroninės ir neutrino fizikos, medžiagų mokslo poreikiai. Netoli Tokai (Japonija) esantis KEK nacionalinės aukštos energijos fizikos laboratorijos ir JAEA atominės energijos agentūros projektas.
„Angstrom“ yra nesisteminis ilgio matavimo vienetas, lygus 10⁻1⁰ m. Jis pavadintas švedų fiziko ir astronomo Anderso Angstromo, kuris jį pasiūlė 1868 m., Vardu.
„Compton“ efektas (Compton efektas,„Compton“ barstymas) - nenuoseklus fotonų išsklaidymas laisvaelektronai, nenuoseklumas reiškia, kad fotonai prieš ir po sklaidos netrukdo. Poveikį lydi fotonų dažnio pokytis, kurio dalis energijos pasklaidžius perduodama elektronams.
Kietasis kampas yra erdvės dalis, kuri yra visų spindulių, kylančių iš tam tikro taško, jungtis (viršūneskampas) ir susikertantis su kokiu nors paviršiumi (kuris vadinamas paviršiumi,sutraukiantisnurodytas kietasis kampas). Ypatingi kietųjų kampų atvejai yra trikampiai ir daugiakampiai kampai. Kietojo kampo riba yra tam tikras kūginis paviršius.
Teorinis branduolių beta skilimo aprašymassukūrė fizikas Enrico Fermi, kuris pristatė svarbiausią charakteristiką - Fermi sukabinimo konstantą GFGF. Tai padeda nustatyti absoliučią branduolių gyvenimo trukmės vertę beta skilimo atžvilgiu. Tuo pačiu metu E. Fermi apskaičiavo skilimo elektronų beta spektro formą paprasčiausiu leistinų beta perėjimų atveju (vadinamoji beta spektro Fermi forma).
Beta skilimas skirstomas į „Fermi“ tipo perėjimus, kurių metu išeinančių leptonų sukiniai yra priešpriešiniai, ir „Gamow-Teller“ tipą, kai išeinantys leptonai sukasi lygiagrečiai.
Elektrono voltas yra energijos sistemos vienetas, naudojamas atominėje ir branduolinėje fizikoje, elementariųjų dalelių fizikoje ir glaudžiai susijusiose ir susijusiose mokslo srityse.