Cik ilgi dzīvo neitrons?
Neitronu kalpošanas laiks ir tik būtisks un svarīgs, lai to saprastu
8-9 sekunžu starpība ir četras reizes lielākadivu sekunžu mērījuma kļūda. Iespēja, ka viņi vienojas, ir aptuveni 60 pret 1 miljonu, kas ir praktiski neiespējami. Šīs sekundes veido neitronu mūža noslēpumu.
Divas metodes, divi rezultāti
Tātad, lai noteiktu neitrona dzīvi, zinātnieki izmantoja divas metodes. Kā viņi strādā?
- Pudeļu metode
Pudeļu metodē neitroni var būtnoslēgts vakuuma pudelē, kas izgatavota no neitroniem droša materiāla vai kuru notur magnētiskie lauki un gravitācija. Viņiem ir ārkārtīgi zema kinētiskā enerģija un tie pārvietojas ar ātrumu vairākus metrus sekundē. Tos sauc par ultracold neitroniem (UCN). Fiziķi atdala neitronus no atomu kodoliem, ievieto tos pudelē un pēc tam saskaita, cik no tiem pēc kāda laika tur paliek. Rezultātā zinātnieki secina, ka neitroni radioaktīvi sadalās vidēji 14 minūtēs un 39 sekundēs.
- Ray metode
Radiācijas eksperimentos tiek izmantotas mašīnaskas rada neitronu plūsmas. Zinātnieki mēra neitronu skaitu noteiktā staru kūļa tilpumā. Pēc tam tie virza plūsmu caur magnētisko lauku daļiņu slazdā, ko veido elektriskie un magnētiskie lauki. Neitroni sadalās slazdā, kur fiziķi mēra atlikušo protonu skaitu. Šādos eksperimentos tie nosaka vidējo neitronu kalpošanas laiku 14 minūtes 48 sekundes.
Rezultāti
Pagaidām ir septiņi rezultātiaugstas precizitātes pudeļu mērījumi ar dažādiem iestatījumiem un tikai divi staru mērījumi. Abos stara mērījumos tika izmantota viena un tā pati metode - Peninga slazds. Pūšanas produktu, protonus, tas uztver un uzskaita labi kalibrēts detektors.
Penninga slazds pats par sevi attēloir ierīce, kas izmanto vienmērīgu statisko magnētisko lauku un telpiski neviendabīgu elektrisko lauku, lai uzglabātu uzlādētas daļiņas. Šo slazdu veidu bieži izmanto, lai veiktu precīzus jonu un stabilu subatomisku daļiņu īpašību mērījumus, kam ir elektriskais lādiņš.
Nav šaubu, ka salīdzināšanai un pārbaudei ir nepieciešami vairāk eksperimentu ne tikai ar staru kūli, bet arī kopumā.
Vai ir citi veidi?
Staru metodē fiziķi nosaka, cik daudzneitroni tiek pakļauti beta sabrukšanai. Atcerēsimies, ka neitronu beta sabrukšana ir brīva neitrona spontāna pārvēršanās protonā ar β-daļiņas (elektrona) un elektronu antineitrīna emisiju.
Beta sabrukšanas parametru precizitātes mērījumineitroni (dzīves ilgums, leņķiskās korelācijas starp daļiņu momentu un neitronu spinu) ir svarīgi, lai noteiktu vājās mijiedarbības īpašības. Tā ir fundamentāla mijiedarbība, kas jo īpaši ir atbildīga par atomu kodolu beta sabrukšanas un elementārdaļiņu vājās sabrukšanas procesiem, kā arī par telpiskās un kombinētās paritātes saglabāšanas likumu pārkāpumiem tajos. Šo mijiedarbību sauc par vāju, jo pārējām divām mijiedarbībām, kas ir nozīmīgas kodolfizikai un lielas enerģijas fizikā (spēcīgajai un elektromagnētiskajai), ir raksturīga daudz lielāka intensitāte. Tomēr tā ir daudz spēcīgāka nekā ceturtā no fundamentālajām mijiedarbībām, gravitācijas.
Antineutrino noteikšana ir sarežģīta.Pasaulē vadošie detektori bieži ir gigantiski, un to mērķis ir intensīvs plūsmas avots, piemēram, Saule vai atomelektrostacija. Tomēr gada laikā notiek tikai daži notikumi. Tātad antineutrino šeit nepalīdzēs.
Kā ar protonu?Līdz šim visi rezultāti ar vislabāko precizitāti staru metodē tika iegūti, reģistrējot protonus. Tagad notiek aktīvs darbs pie metodes uzlabošanas. Piemēram, NIST, ASV, tiek gatavots modernizēts BL3 eksperiments. J-PARC pētnieki nesen paziņoja par sākotnējo neitronu mūža rezultātu, nosakot beta sabrukšanas elektronus, izmantojot laika projekcijas kameru (TPC). Šādas kameras ir dreifējošo un proporcionālo kameru kombinācija. Tie ir daudzpusīgākais instruments augstas enerģijas fizikā, jo tie ļauj iegūt trīsdimensiju trases elektronisku attēlu ar salīdzināmu telpisko izšķirtspēju visās trīs koordinātēs. Japāņu zinātnieku darbs ir Kossakowski et al. 1989. gadā ierosinātā eksperimenta atdzimšana. Tagad viņi strādā, lai uzlabotu tā precizitāti.
Pēc gadu desmitiem ilgām pūlēm var pieņemt, ka rūpīgi jāizpēta visi iespējamie staru metodes ceļi.
Vai arī ir vairāk iespēju?
Pārmērīga šķidruma hēlija laiks
Nesen savā rakstā “Jauns eksperimentspar neitrona kalpošanas laiku ar auksto neitronu kūļa sabrukšanu superšķidrajā hēlijā-4,” publicēts žurnālā Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Dr. Vančuns Vejs ierosināja jaunu pieeju. Proti, izmantot superšķidru hēlija-4 scintilatoru, lai noteiktu neitrona sabrukšanas produktu - elektronu. Pētījuma autors ieguva doktora grādu fizikā Brauna universitātē, ASV, un pabeidza pēcdoktorantūras stipendiju Los Alamos Nacionālajā laboratorijā. Pašlaik viņš strādā par zinātnisko inženieri Kellogg Radiation Laboratory, Kalifornijas Tehnoloģiju institūtā, ASV (Caltech).
Eksperimentējiet UNCtau Los Alamos, izmantojot pudeles metodi, lai izmērītu neitronu kalpošanas laiku
Veja ideja izklausās neparasti, un lūk, kāpēc.
Lielākā daļa eksperimentu mūža garumāneitronus veic augsta vakuuma apstākļos, lai izslēgtu neitronu izkliedi uz gāzes daļiņām. Izņēmums ir J-PARC eksperiments, kur TPC nepieciešama darba gāze, lai pastiprinātu elektrona beta sadalīšanās lādiņu līdz nosakāmai strāvai. Lai identificētu un novērstu izkliedētu neitronu radītos fona notikumus, nepieciešama sarežģīta analīze.
Jaunā metode darbosies, pateicoties pārsteidzošaisuperšķidrā hēlija, kvantu šķidruma īpašības. Tas veido makroskopisku kvantu viļņu funkciju, un lielākā daļa no tā kondensējas pamatstāvoklī. Elementāros ierosmes kvantu šķidrumā Landau paredzēja 1947. gadā un apstiprināja ar neelastīgu neitronu izkliedi.
Pārmērīga šķidruma hēlija-4 īpatnība ir tā, ka tas bez berzes plūst virs jebkuras virsmas, plūst cauri ļoti mazām porām, pakļaujoties tikai savai inerci.
Šķidrais hēlijs atrodas superšķidruma fāzē.Kamēr tas paliek superšķidrs, tas plānā plēvē ložņā gar krūzes sieniņu. Tas nolaižas no ārpuses, veidojot pilienu, kas iekritīs zemāk esošajā šķidrumā. Veidosies vēl viens piliens — un tā tālāk, līdz krūze ir tukša
Ja neitronu kūļa izlaišana caur gāzi ir problemātiska, kāpēc ņemt vērā šķidrumu?
Jā, neitroni ir izkaisīti šķidrā hēlijā,bet tikai uz elementāriem uzbudinājumiem. Ir jāievēro enerģijas un impulsa saglabāšanas nosacījums. Koens un Feinmans savā 1957. gadā publicētajā rakstā parādīja, ka izkliede nenotiek, ja neitronu viļņu garums pārsniedz 16,5 angstromus. Tas nozīmē, ka zemas enerģijas gara viļņa garuma neitroni var pārvietoties pa superšķidrumu hēliju-4 tā, it kā tas būtu vakuums. Savukārt tas apstiprina priekšlikumu jaunam staru eksperimentam ar super šķidruma hēlija-4 scintilatoru.
Super šķidrums hēlijs-4 kā scintilators
Pirmais scintilācijas detektors bijasiets, kas pārklāts ar cinka sulfīda slāni (ZnS). Zibspuldzes, kas radās, kad uzlādētas daļiņas to trāpīja, tika ierakstītas, izmantojot mikroskopu. Tieši ar šādu detektoru Ģēģers un Marsdens 1909. gadā veica eksperimentu par alfa daļiņu izkliedēšanu pa zelta atomiem, kā rezultātā tika atklāts atoma kodols. Kopš 1944. gada gaismas uzplaiksnījumus no scintilatora reģistrē ar fotopaliktina mēģenēm (PMT). Vēlāk šiem nolūkiem tika izmantotas arī fotodiodes.
Scintilators var būt organisks (kristāli, plastmasa vai šķidrumi) vai neorganisks (kristāli vai stikli). Tiek izmantoti arī gāzveida scintilatori.
Super šķidrums hēlijs-4 ir labi pētīts kā kandidātsneitrīno un tumšās vielas scintilācijas detektoram. Kad uzlādētas daļiņas ar augstu kinētisko enerģiju saduras ar super šķidrumu hēliju-4, hēlija atomi tiek jonizēti, ierosināti un izstaro scintilācijas gaismu. Process ir diezgan sarežģīts, taču kopumā izstaroto fotonu skaits ir lineāri proporcionāls uzlādētās daļiņas enerģijai. Atbrīvotais elektrons nes kinētisko enerģiju diapazonā no nulles līdz 782 keV no izdalītās kodolenerģijas beta sabrukšanas laikā. Tādējādi sabrukušo neitronu skaitu var aprēķināt pēc scintilācijas biežuma.
Pa to laiku ir nepieciešams kontrolēt neitronu plūsmuimpulsa stars. To var izdarīt ar hēlija-3 izotopu, kas uztver neitronu, pārvēršas par protonu un tritonu un atbrīvo 764 keV enerģijas. Šādu uztveršanas notikumu ātrums ir proporcionāls stara plūsmai. Šie notikumi ir serdeņu atsitiens. Gluži pretēji, sabrukšana ir elektronu ziedojums. Tāpēc uztveršanas un sabrukšanas notikumiem scintilācijas signālā ir atšķirīgs parakstu kopums. Tūlītēja mirdzuma laikā uztveršanas notikums rada daudz mazāk fotonu uz enerģijas ievades vienību nekā sabrukšanas notikums. Uztveršanas notikumam ir īss apstāšanās diapazons - desmitiem mikronu, savukārt sabrukšanas notikumam ir gara taka līdz 2 cm. Pēc analoģijas viena izskatās kā supernova, otra - kā meteors. Turklāt viņiem ir raksturīga noturības sabrukšanas līmeņa īpaša uzvedība.
Galīgā precizitāte
Neitronu mūža noslēpuma atrisināšanas atslēga ir augsta precizitāte. Jaunajam eksperimentam ir jēga tikai tad, ja precizitāte var sasniegt 0,1% vai mazāku par 1 sekundi.
Visus reģistrēt ir gandrīz neiespējamibeta sabrukšanas elektroni, jo dažiem no tiem ir pārāk zema enerģija, lai iegūtu pietiekamu scintilācijas gaismu. Bet ir izeja. No vienas puses, ierosinātais detektors nodrošinās pozīcijas izšķirtspēju gar stara asi. Ļoti precīzai datu analīzei tiks izmantoti tikai notikumi centrālajā zonā. No otras puses, jūs varat savākt pēc iespējas vairāk gaismas. Detektors ir paredzēts, lai aptvertu vairāk nekā 96% no centrālā reģiona notikumu cietā leņķa, lai varētu precīzi atgūt beta sabrukšanas elektronu enerģiju. Liels skaits šo notikumu veido precīzu β-sabrukšanas spektru, ko labi raksturo Fermi teorija. Spektra apakšējā daļa var pazust zemas mirgošanas dēļ.
Turklāt fona notikumu apspiešana ir svarīga,īpaši saistīts ar izkaisītiem neitroniem. Neitronu kūļa izkliedes trūkums ar šķidru hēliju jau ir labs sākums. Visus parazītiskos neitronus, kas izkaisīti no tilpuma logiem, uztvers neitronu absorbētāji, kas ieskauj detektoru, lai samazinātu neitronu aktivāciju.
Detektors redzēs arī Comptonnotikumi, ko izraisa momentāna gamma starojuma emisija neitronu uztveršanas laikā pie ieejas un izejas logiem. Tas laika secībā parādīsies kā divi spilgti pārrāvumi, un to var izmantot kā atsauci uz laiku un intensitāti signāla notikumu stāvokļa rekonstrukcijai, detektora kalibrēšanai un stara spektra raksturošanai.
Kāda ir apakšējā līnija?
Šī jaunā metode būtiski atšķiras noesošie staru eksperimenti. Nav nepieciešams spēcīgs magnētiskais lauks. Tas izmanto impulsu staru ar daudz zemākas enerģijas neitroniem. Un super šķidruma hēlija scintilācijas detektors piedāvā skaidru sistemātisku efektu kopumu. Protams, ir jāpārvar daudzas tehniskas grūtības. Savā rakstā, kurā aprakstīta jaunā pieeja, Vejs, eksperimentētājs superšķidrā hēlija daļiņu izpētē, sacīja, ka ir pārliecināts, ka jaunā ideja galu galā palīdzēs atrisināt neitronu dzīves noslēpumu un sniegs jaunas iespējas jaunas fizikas atklāšanai.
Lasīt vairāk
Atrada jauna veida melno caurumu, kas neiederas relativitātes teorijā
Aborts un zinātne: kas notiks ar bērniem, kas dzemdēs
Zinātnieki ir izstrādājuši relativitātes teorijas aizstājēju. Kāda ir "visa teorijas" būtība?
Augsta precizitāte
ASV Nacionālais standartu un tehnoloģiju institūts
J-PARC - protonu paātrinātāja komplekssaugstas enerģijas fizikas, hadroniskās un neitrīno fizikas, materiālu zinātnes vajadzības. Atrodas netālu no Tokai, Japānā, KEK Nacionālās augstas enerģijas fizikas laboratorijas un JAEA atomenerģijas aģentūras kopprojekts.
Angstroms ir nesistēmiska garuma mērvienība, kas vienāda ar 10⁻1⁰ m. Tā ir nosaukta zviedru fiziķa un astronoma Andersa Angstroma vārdā, kurš to ierosināja 1868. gadā.
Compton efekts (Compton efekts,Compton izkliedēšana) - nesakarīga fotonu izkliedēšana ar brīvuelektroni, nesakarība nozīmē, ka fotoni pirms un pēc izkliedes netraucē. Efektu papildina fotonu frekvences izmaiņas, kuru enerģija pēc izkliedes tiek pārnesta uz elektroniem.
Cietais leņķis ir telpas daļa, kas ir visu staru savienojums, kas izriet no attiecīgā punkta (topileņķis) un krustojot kādu virsmu (ko sauc par virsmu,sašaurinošidots telpiskais leņķis). Īpaši cieto leņķu gadījumi ir trīsstūrveida un daudzskaldņu leņķi. Cietā leņķa robeža ir noteikta koniska virsma.
Kodola beta sabrukšanas teorētiskais aprakstsizstrādāja fiziķis Enriko Fermi, kurš ieviesa vissvarīgāko raksturlielumu - Fermi sakabes konstanti GFGF. Tas palīdz noteikt kodolu mūža absolūto vērtību attiecībā pret beta sabrukšanu. Vienlaikus E. Fermi aprēķināja sabrukšanas elektronu beta spektra formu vienkāršākajā atļauto beta pāreju gadījumā (tā dēvētā beta spektra Fermi forma).
Beta sabrukšana ir sadalīta Fermi tipa pārejās, kurās izejošo leptonu griezieni ir pretparalēli, un Gamow-Teller tipā, kur izejošo leptonu griezieni ir paralēli.
Elektronu volts ir ārpus sistēmas esoša enerģijas vienība, ko izmanto atomu un kodolfizikā, elementārdaļiņu fizikā un cieši saistītās un saistītās zinātnes jomās.