Hoe lang leeft een neutron?
De levensduur van neutronen is zo fundamenteel en belangrijk om te begrijpen
Het verschil van 8-9 seconden is vier keer grotermeetfout van twee seconden. De kans dat ze het met elkaar eens zijn is ongeveer 60 op 1 miljoen, wat praktisch onmogelijk is. Deze seconden vormen het mysterie van de levensduur van neutronen.
Twee methoden, twee resultaten
Wetenschappers gebruikten dus twee methoden om de levensduur van een neutron te bepalen. Hoe werken ze?
- Fles methode
In de flesmethode kunnen neutronen zijnverzegeld in een vacuümfles gemaakt van neutronenveilig materiaal of vastgehouden door magnetische velden en zwaartekracht. Ze hebben een extreem lage kinetische energie en bewegen zich met een snelheid van enkele meters per seconde. Ze worden ultrakoude neutronen (UCN's) genoemd. Natuurkundigen scheiden neutronen van atoomkernen, stoppen ze in een fles en tellen vervolgens hoeveel van hen er na een tijdje achterblijven. Als gevolg hiervan concluderen wetenschappers dat neutronen radioactief vervallen in gemiddeld 14 minuten en 39 seconden.
- Ray-methode
Bij stralingsexperimenten worden machines gebruiktdie neutronenfluxen creëren. Wetenschappers meten het aantal neutronen in een bepaald volume van de straal. Vervolgens sturen ze de stroom door een magnetisch veld naar een deeltjesval die wordt gevormd door de elektrische en magnetische velden. De neutronen vervallen in een val, waar natuurkundigen het aantal resterende protonen meten. In dergelijke experimenten bepalen ze de gemiddelde levensduur van neutronen op 14 minuten en 48 seconden.
uitslagen
Er zijn tot nu toe zeven resultatenzeer nauwkeurige flesmetingen met verschillende instellingen en slechts metingen met twee stralen. Bij beide bundelmetingen werd dezelfde methode gebruikt: de Penningval. Het vervalproduct, protonen, wordt erdoor opgevangen en geteld door een goed gekalibreerde detector.
De Penning-val zelf vertegenwoordigtis een apparaat dat een uniform statisch magnetisch veld en een ruimtelijk inhomogeen elektrisch veld gebruikt om geladen deeltjes op te slaan. Dit type val wordt vaak gebruikt om nauwkeurige metingen uit te voeren van de eigenschappen van ionen en stabiele subatomaire deeltjes die een elektrische lading hebben.
Het lijdt geen twijfel dat er meer experimenten nodig zijn voor vergelijking en verificatie, niet alleen met de straal, maar in het algemeen.
Zijn er andere manieren?
Bij de bundelmethode bepalen natuurkundigen hoeveelneutronen ondergaan bèta-verval. Laten we ons herinneren dat het bèta-verval van neutronen de spontane transformatie is van een vrij neutron in een proton met de emissie van een β-deeltje (elektron) en een elektron-antineutrino.
Precisiemetingen van bèta-vervalparametersneutronen (levensduur, hoekcorrelaties tussen deeltjesmomenta en neutronenspin) zijn belangrijk voor het bepalen van de eigenschappen van de zwakke interactie. Dit is een fundamentele interactie, die in het bijzonder verantwoordelijk is voor de processen van bèta-verval van atoomkernen en zwak verval van elementaire deeltjes, evenals schendingen van de wetten van behoud van ruimtelijke en gecombineerde pariteit daarin. Deze interactie wordt zwak genoemd, omdat de andere twee interacties, die van belang zijn voor de kernfysica en de hoge-energiefysica (sterk en elektromagnetisch), gekenmerkt worden door een veel grotere intensiteit. Het is echter veel sterker dan de vierde van de fundamentele interacties, zwaartekracht.
Antineutrinodetectie is moeilijk.De belangrijkste detectoren ter wereld zijn vaak gigantisch en richten zich op een intense bron van flux, zoals de zon of een kerncentrale. Er gebeuren echter maar een paar gebeurtenissen in een jaar. Dus antineutrino helpt hier niet.
Hoe zit het met het proton?Tot nu toe zijn alle resultaten met de beste nauwkeurigheid in de straalmethode verkregen door protonen te registreren. Nu wordt er actief gewerkt om de methode te verbeteren. Een gemoderniseerd BL3-experiment is bijvoorbeeld in voorbereiding bij NIST, VS. Onderzoekers van J-PARC hebben onlangs hun voorlopige neutronenlevensduurresultaat aangekondigd door bèta-vervalelektronen te detecteren met behulp van een tijdprojectiekamer (TPC). Dergelijke kamers zijn een combinatie van drift- en proportionele kamers. Ze zijn het meest veelzijdige instrument in de hoge-energiefysica, omdat ze het mogelijk maken om een driedimensionaal elektronisch beeld van een spoor te verkrijgen met een vergelijkbare ruimtelijke resolutie in alle drie de coördinaten. Het werk van Japanse wetenschappers is een heropleving van een experiment dat voor het eerst werd voorgesteld door Kossakowski et al. In 1989. Ze werken er nu aan om de nauwkeurigheid ervan te verbeteren.
Na tientallen jaren van inspanning kan worden aangenomen dat alle mogelijke paden van de stralingsmethode zorgvuldig moeten worden onderzocht.
Of zijn er meer mogelijkheden?
Superfluïde heliumtijd
Onlangs in zijn artikel “Nieuw experimenton the lifetime of a neutron with the decay of a beam of cold neutrons in superfluid helium-4”, gepubliceerd in de Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, stelde Dr. Wanchun Wei een nieuwe aanpak voor. Namelijk om een superfluïde helium-4-scintillator te gebruiken om het vervalproduct van een neutron, een elektron, te detecteren. De auteur van de studie behaalde zijn doctoraat in de natuurkunde aan de Brown University, VS en voltooide zijn postdoctorale fellowship aan het Los Alamos National Laboratory. Momenteel werkt hij als onderzoeksingenieur bij het Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, VS (Caltech).
Experimenteer bij UNCtau in Los Alamos met behulp van de flesmethode om de levensduur van neutronen te meten
Wei's idee klinkt ongebruikelijk, en hier is waarom.
De meeste levenslange experimentenneutronen worden uitgevoerd in een hoog vacuüm om de verstrooiing van neutronen op gasdeeltjes te elimineren. Een uitzondering is het J-PARC-experiment, waarbij de TPC een werkend gas nodig heeft om de beta-vervallading van een elektron te versterken tot een detecteerbare stroom. Geavanceerde analyse is vereist om achtergrondgebeurtenissen veroorzaakt door verspreide neutronen te identificeren en te elimineren.
De nieuwe methode zal werken dankzij amazingeigenschappen van superfluïde helium, kwantumvloeistof. Het vormt een macroscopische kwantumgolffunctie en het meeste condenseert tot de grondtoestand. Elementaire excitaties in een kwantumvloeistof werden voorspeld door Landau in 1947 en bevestigd door inelastische neutronenverstrooiing.
De eigenaardigheid van supervloeibaar helium-4 is dat het zonder wrijving over elk oppervlak stroomt, door zeer kleine poriën stroomt en alleen gehoorzaamt aan zijn eigen traagheid.
Vloeibaar helium bevindt zich in een superfluïde fase.Hoewel het supervloeibaar blijft, kruipt het in een dunne film langs de wand van de cup. Het daalt van buitenaf naar beneden en vormt een druppel die in de vloeistof eronder valt. Er zal zich weer een druppel — enzovoort totdat de beker leeg is
Als het moeilijk is om een neutronenbundel door een gas te laten gaan, waarom zou u dan een vloeistof overwegen?
Ja, neutronen zijn verstrooid in superfluïde helium,maar alleen op elementaire excitaties. En aan de voorwaarde van behoud van energie en impuls moet worden voldaan. Cohen en Feynman toonden in hun in 1957 gepubliceerde paper aan dat verstrooiing niet optreedt als de golflengte van de neutronen de 16,5 Angstrom overschrijdt. Dit betekent dat lage-energie neutronen met een lange golflengte superfluïde helium-4 kunnen doordringen alsof het een vacuüm is. Dit bevestigt op zijn beurt het voorstel voor een nieuw bundelexperiment met een superfluïde helium-4 scintillator.
Superfluïde helium-4 als scintillator
De eerste scintillatiedetector waseen scherm bedekt met een laag zinksulfide (ZnS). De flitsen die optraden toen geladen deeltjes erop raakten, werden opgenomen met een microscoop. Met een dergelijke detector voerden Geiger en Marsden in 1909 een experiment uit met de verstrooiing van alfadeeltjes door goudatomen, wat leidde tot de ontdekking van de atoomkern. Sinds 1944 worden lichtflitsen van de scintillator geregistreerd door fotomultiplicatorbuizen (PMT's). Later werden hiervoor ook fotodiodes gebruikt.
De scintillator kan organisch (kristallen, kunststoffen of vloeistoffen) of anorganisch (kristallen of glazen) zijn. Er worden ook gasvormige scintillatoren gebruikt.
Superfluïde helium-4 is goed bestudeerd als kandidaatnaar de scintillatiedetector van neutrino's en donkere materie. Wanneer geladen deeltjes met hoge kinetische energie botsen met superfluïde helium-4, worden de heliumatomen geïoniseerd, geëxciteerd en uitgezonden scintillatielicht. Het proces is vrij complex, maar over het algemeen is het aantal uitgezonden fotonen lineair evenredig met de energie van een geladen deeltje. Het vrijgekomen elektron draagt kinetische energie in het bereik van nul tot 782 keV van de vrijgekomen kernenergie in bèta-verval. Het aantal vervallen neutronen kan dus worden berekend uit de scintillatiefrequentie.
Ondertussen is het nodig om de neutronenflux te beheersengepulseerde straal. Dit kan worden gedaan met de isotoop helium-3, die een neutron vangt, wordt omgezet in een proton en een triton en 764 keV aan energie afgeeft. De snelheid van dergelijke vanggebeurtenissen is evenredig met de straalflux. Deze gebeurtenissen vertegenwoordigen de terugslag van kernen. Integendeel, verval is de donatie van elektronen. Bijgevolg hebben capture- en fade-gebeurtenissen een verschillende set handtekeningen in het scintillatiesignaal. In een onmiddellijke gloed produceert een vanggebeurtenis veel minder fotonen per eenheid energie-input dan een vervalgebeurtenis. Het vanggebeurtenis heeft een kort stopbereik van tientallen micron, terwijl het vervalgebeurtenis een lang spoor heeft van maximaal 2 cm. Naar analogie ziet de ene eruit als een supernova en de andere als een meteoor. Bovendien vertonen ze een duidelijk gedrag in de vervalsnelheid van de persistentie.
Ultieme nauwkeurigheid
De sleutel tot het oplossen van het mysterie van de neutronenlevensduur is een hoge nauwkeurigheid. Het nieuwe experiment heeft alleen zin als de nauwkeurigheid 0,1% of minder dan 1 seconde kan bereiken.
Het is bijna onmogelijk om alles te registrerenbèta-vervalelektronen, omdat sommige van hen een te lage energie hebben om voldoende scintillatielicht te verkrijgen. Maar er is een uitweg. Enerzijds zal de voorgestelde detector een positionele resolutie bieden langs de bundelas. Alleen gebeurtenissen in het centrale gebied worden gebruikt voor zeer nauwkeurige gegevensanalyse. Aan de andere kant kun je zoveel mogelijk licht opvangen. De detector is ontworpen om meer dan 96% van de ruimtehoek van gebeurtenissen in het centrale gebied te bestrijken, zodat de energie van bèta-vervalelektronen nauwkeurig kan worden teruggewonnen. Een groot aantal van deze gebeurtenissen vormen het exacte β-vervalspectrum, dat goed wordt beschreven door de Fermi-theorie. Het onderste deel van het spectrum ontbreekt mogelijk vanwege een lage flikkering.
Daarnaast is het onderdrukken van achtergrondgebeurtenissen belangrijk,vooral gerelateerd aan verspreide neutronen. De afwezigheid van verstrooiing van een neutronenbundel door supervloeibaar helium is al een goed begin. Alle parasitaire neutronen die door de volumevensters worden verspreid, worden opgevangen door neutronenabsorbeerders die de detector omringen om neutronenactivering te minimaliseren.
De detector zal ook Compton ziengebeurtenissen veroorzaakt door de onmiddellijke emissie van gammastraling tijdens het vangen van neutronen bij de ingangs- en uitgangsvensters. Het zal verschijnen als twee heldere bursts in een tijdsequentie en kan worden gebruikt als een tijd- en intensiteitsreferentie om de positie van signaalgebeurtenissen te reconstrueren, de detector te kalibreren en het spectrum van de straal te karakteriseren.
Waar komt het op neer?
Deze nieuwe methode is fundamenteel anders danbestaande straalexperimenten. Heeft geen sterk magnetisch veld nodig. Het maakt gebruik van een gepulseerde straal met veel lagere energetische neutronen. En de superfluïde heliumscintillatiedetector biedt een duidelijke reeks systematische effecten. Natuurlijk zijn er veel technische problemen die moeten worden overwonnen. In zijn artikel waarin hij de nieuwe benadering beschrijft, zei Wei, een experimentator in de studie van deeltjes in superfluïde helium, dat hij er zeker van was dat het nieuwe idee uiteindelijk zou helpen het mysterie van de neutronenlevensduur op te lossen en nieuwe kansen zou bieden voor het ontdekken van nieuwe fysica.
Lees verder
Een nieuw soort zwart gat gevonden dat niet past in de relativiteitstheorie
Abortus en wetenschap: wat gebeurt er met de kinderen die zullen bevallen
Wetenschappers hebben een vervanging voor de relativiteitstheorie ontwikkeld. Wat is de essentie van de "theorie van alles"?
Hoge precisie
US National Institute of Standards and Technology
J-PARC - protonenversnellercomplex voorbehoeften van hoge-energiefysica, hadronische en neutrinofysica, materiaalkunde. Gelegen nabij Tokai, Japan, een gezamenlijk project van het KEK National High Energy Physics Laboratory en het JAEA Atomic Energy Agency.
Angstrom is een niet-systemische lengtemeting gelijk aan 10⁻¹⁰ m. Het is genoemd naar de Zweedse natuurkundige en astronoom Anders Angstrom, die het in 1868 voorstelde.
Compton-effect (Compton-effect,Compton verstrooiing) - incoherente verstrooiing van fotonen door gratiselektronen, incoherentie betekent dat fotonen voor en na verstrooiing niet interfereren. Het effect gaat gepaard met een verandering in de frequentie van fotonen, waarvan een deel van de energie na verstrooiing wordt overgedragen op elektronen.
Een ruimtehoek is een deel van de ruimte, wat de vereniging is van alle stralen die uit een bepaald punt komen (topshoek) en een oppervlak snijden (dat het oppervlak wordt genoemd,beklemmendgegeven vaste hoek). Speciale gevallen van vaste hoeken zijn drievlaks- en veelvlakshoeken. De grens van een ruimtehoek is een bepaald conisch oppervlak.
Theoretische beschrijving van bèta-verval van kernenis ontwikkeld door natuurkundige Enrico Fermi, die het belangrijkste kenmerk introduceerde: de Fermi-koppelingsconstante GFGF. Het helpt om de absolute waarde van de levensduur van kernen te bepalen in relatie tot bèta-verval. Tegelijkertijd berekende E. Fermi de vorm van het bètaspectrum van vervalelektronen in het eenvoudigste geval van toegestane bèta-overgangen (de zogenaamde Fermi-vorm van het bètaspectrum).
Beta-vervallen zijn onderverdeeld in overgangen van het Fermi-type, waarin de spins van de uitgaande leptonen antiparallel zijn, en het Gamow-Teller-type, waarin de uitgaande leptonspins parallel zijn.
Een elektronvolt is een energie-eenheid buiten het systeem die wordt gebruikt in de atoom- en kernfysica, de elementaire deeltjesfysica en in nauw verwante en verwante wetenschapsgebieden.