Hvor lenge lever et nøytron?
Nøytronlevetiden er så grunnleggende og viktig å forstå
Forskjellen på 8-9 sekunder er fire ganger størremålefeil på to sekunder. Sjansen for at de er enige med hverandre er omtrent 60 i 1 million, noe som er praktisk talt umulig. Disse sekundene utgjør mysteriet om nøytronens levetid.
To metoder, to resultater
Så forskere brukte to metoder for å bestemme livet til et nøytron. Hvordan fungerer de?
- Flaske metode
I flaskemetoden kan nøytroner væreforseglet i en vakuumflaske laget av nøytronsikkert materiale eller holdt av magnetfelt og tyngdekraften. De har ekstremt lav kinetisk energi og beveger seg med en hastighet på flere meter per sekund. De kalles ultrakolde nøytroner (UCN). Fysikere skiller nøytroner fra atomkjernene, legger dem i en flaske, og teller deretter hvor mange av dem som er der etter en stund. Som et resultat konkluderer forskere med at nøytroner forfaller radioaktivt i gjennomsnitt 14 minutter og 39 sekunder.
- Strålemetode
Strålingseksperimenter bruker maskinersom skaper nøytronflukser. Forskere måler antall nøytroner i et visst volum av strålen. De leder deretter strømmen gjennom et magnetfelt inn i en partikkelfelle dannet av de elektriske og magnetiske feltene. Nøytronene forfaller i en felle, der fysikere måler antall gjenværende protoner. I slike eksperimenter bestemmer de gjennomsnittlig nøytronlevetid på 14 minutter 48 sekunder.
resultater
Det er syv resultater så langthøypresisjons flaskemål med forskjellige innstillinger og bare to strålemål. I begge strålemålene ble den samme metoden brukt - Penning-fellen. Forfallsproduktet, protoner, fanges opp av det og telles av en godt kalibrert detektor.
Selve Penning-fellen representererer en enhet som bruker et jevnt statisk magnetfelt og et romlig inhomogent elektrisk felt for å lagre ladede partikler. Denne typen felle brukes ofte til å gjøre nøyaktige målinger av egenskapene til ioner og stabile subatomære partikler som har en elektrisk ladning.
Det er ingen tvil om at flere eksperimenter er nødvendige for sammenligning og verifisering, ikke bare med bjelken, men generelt.
Er det andre måter?
I strålemetoden bestemmer fysikere hvor myenøytroner gjennomgår beta-forfall. La oss huske at nøytronbeta-forfall er den spontane transformasjonen av et fritt nøytron til et proton med emisjon av en β-partikkel (elektron) og en elektronantinøytrino.
Presisjonsmålinger av beta-forfallsparameterenøytron (levetid, vinkelkorrelasjoner mellom partikkelmomenta og nøytronspinn) er viktige for å bestemme egenskapene til den svake interaksjonen. Dette er en grunnleggende interaksjon, spesielt ansvarlig for prosessene med beta-forfall av atomkjerner og svake forfall av elementære partikler, samt brudd på lovene om bevaring av romlig og kombinert paritet i dem. Denne interaksjonen kalles svak, siden de to andre interaksjonene, vesentlige for kjernefysikk og høyenergifysikk (sterk og elektromagnetisk), er preget av mye større intensitet. Imidlertid er den mye sterkere enn den fjerde av de grunnleggende interaksjonene, gravitasjons.
Antineutrino påvisning er vanskelig.Verdens ledende detektorer er ofte gigantiske og retter seg mot en intens kilde til strøm som solen eller et atomkraftverk. Imidlertid skjer bare noen få hendelser i løpet av et år. Så hjelper ikke antineutrino.
Hva med protonen?Inntil nå har alle resultater med best nøyaktighet i strålemetoden blitt oppnådd ved å registrere protoner. Nå pågår aktivt arbeid for å forbedre metoden. For eksempel er et modernisert BL3-eksperiment under utarbeidelse i NIST, USA. Forskere ved J-PARC kunngjorde nylig sitt foreløpige nøytronlevetidsresultat ved å oppdage beta-nedbrytningselektroner ved hjelp av et tidsprojeksjonskammer (TPC). Slike kamre er en kombinasjon av drift og proporsjonale kamre. De er det mest allsidige instrumentet i høyenergifysikk, siden de tillater en å få et tredimensjonalt elektronisk bilde av et spor med en sammenlignbar romlig oppløsning i alle tre koordinatene. Arbeidet til japanske forskere er en gjenoppliving av et eksperiment som først ble foreslått av Kossakowski et al. I 1989. De jobber nå med å forbedre nøyaktigheten.
Etter tiår med innsats kan det antas at alle mulige veier for strålemetoden bør undersøkes nøye.
Eller er det flere alternativer?
Superfluid heliumtid
Nylig i sin artikkel "Nytt eksperimentpå levetiden til et nøytron med forfallet til en stråle av kalde nøytroner i superfluid helium-4,” publisert i Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, foreslo Dr. Wanchun Wei en ny tilnærming. Nemlig å bruke en superfluid helium-4-scintillator for å oppdage nedbrytningsproduktet til et nøytron – et elektron. Forfatteren av studien tok sin doktorgrad i fysikk fra Brown University, USA og fullførte sitt postdoktorstipend ved Los Alamos National Laboratory. Han jobber for tiden som forskningsingeniør ved Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, USA (Caltech).
Eksperimenter på UNCtau i Los Alamos ved å bruke flaskemetoden for å måle nøytronets levetid
Weis idé høres uvanlig ut, og her er hvorfor.
De fleste livstidseksperimenternøytroner utføres under høyvakuumforhold for å utelukke nøytronspredning på gasspartikler. Et unntak er J-PARC-eksperimentet, der TPC krever en arbeidsgass for å forsterke beta-forfallsladningen til et elektron til en detekterbar strøm. Sofistikert analyse er nødvendig for å identifisere og eliminere bakgrunnshendelser forårsaket av spredte nøytroner.
Den nye metoden vil fungere takket være fantastiskegenskaper av superfluid helium, kvantevæske. Den danner en makroskopisk kvantebølgefunksjon, og det meste kondenserer til grunntilstanden. Elementære eksitasjoner i et kvantevæske ble spådd av Landau i 1947 og bekreftet av uelastisk nøytronspredning.
Det særegne med superfluid helium-4 er at det flyter uten friksjon over noen overflate, strømmer gjennom veldig små porer og kun adlyder sin egen treghet.
Flytende helium er i en superflytende fase.Mens det forblir superflytende, kryper det langs veggen av koppen i en tynn film. Den går ned fra utsiden og danner en dråpe som faller ned i væsken under. En annen dråpe vil dannes — og så videre til koppen er tom
Hvis det er problematisk å føre en nøytronstråle gjennom en gass, hvorfor vurdere en væske?
Ja, nøytroner er spredt i superfluid helium,men bare på elementære eksitasjoner. Og vilkåret for bevaring av energi og momentum må være oppfylt. Cohen og Feynman viste i sin artikkel publisert i 1957 at spredning ikke forekommer hvis nøytronbølgelengden overstiger 16,5 ångstrøm. Dette betyr at nøytroner med lav energi og lang bølgelengde kan bevege seg gjennom superfluid helium-4 som om det var et vakuum. I sin tur bekrefter dette forslaget om et nytt stråleeksperiment med en superfluid helium-4-scintillator.
Superfluid helium-4 som en scintillator
Den første scintillasjonsdetektoren varen skjerm dekket med et lag av sinksulfid (ZnS). Blitsene som oppstod da ladede partikler traff den, ble registrert ved hjelp av et mikroskop. Det var med en slik detektor at Geiger og Marsden gjennomførte et eksperiment på spredning av alfapartikler av gullatomer i 1909, noe som førte til at atomkjernen ble oppdaget. Siden 1944 har lysglimt fra scintillatoren blitt registrert av fotomultiplikatorrør (PMT). Senere ble fotodioder også brukt til disse formålene.
Scintillatoren kan være organisk (krystaller, plast eller væsker) eller uorganisk (krystaller eller glass). Gassformige scintillatorer brukes også.
Superfluid helium-4 er godt studert som kandidattil scintillasjonsdetektoren til nøytrinoer og mørk materie. Når ladede partikler med høy kinetisk energi kolliderer med superfluid helium-4, blir heliumatomene ionisert, eksitert og avgir scintillasjonslys. Prosessen er ganske komplisert, men generelt er antallet sendte fotoner lineært proporsjonal med energien til den ladede partikkelen. Det frigjorte elektronet bærer kinetisk energi i området fra null til 782 keV fra frigitt kjernekraft i beta-forfall. Dermed kan antall forfallne nøytroner beregnes ut fra scintillasjonsfrekvensen.
I mellomtiden er det nødvendig å kontrollere nøytronstrømmenpulsert bjelke. Dette kan gjøres med isotopen helium-3, som fanger et nøytron, konverterer til et proton og et triton, og frigjør 764 keV energi. Frekvensen av slike fangsthendelser er proporsjonal med strålestrømmen. Disse hendelsene representerer tilbakeslag av kjerner. Tvert imot, forfall er donasjon av elektroner. Derfor har fangst- og forfallshendelser et annet sett med signaturer i scintillasjonssignalet. I en øyeblikkelig glød produserer en fangsthendelse langt færre fotoner per enhet energiinngang enn en forfallshendelse. Fangsthendelsen har et kort stoppområde på titalls mikron, mens forfallshendelsen har en lang sti på opptil 2 cm. Analogisk ser den ene ut som en supernova, og den andre som en meteor. I tillegg har de en tydelig oppførsel i forfallshastigheten til utholdenheten.
Ultimate nøyaktighet
Nøkkelen til å løse mysteriet om nøytronets levetid er høy nøyaktighet. Det nye eksperimentet gir bare mening hvis nøyaktigheten kan nå 0,1% eller mindre enn 1 sekund.
Det er nesten umulig å registrere allebeta-nedbrytningselektroner, fordi noen av dem har for lav energi til å oppnå tilstrekkelig scintillasjonslys. Men det er en vei ut. På den ene siden vil den foreslåtte detektoren gi posisjonsoppløsning langs bjelkeaksen. Bare hendelser i det sentrale området vil bli brukt til svært nøyaktig dataanalyse. På den annen side kan du samle så mye lys som mulig. Detektoren er designet for å dekke mer enn 96% av den faste hendelen i den sentrale regionen, slik at energien til beta-forfallselektroner kan gjenvinnes nøyaktig. Et stort antall av disse hendelsene utgjør det eksakte β-forfallsspekteret, noe som er godt beskrevet av Fermi-teorien. Den nedre delen av spekteret kan mangle på grunn av lavt flimmer.
I tillegg er undertrykkelse av bakgrunnshendelser viktig,spesielt relatert til spredte nøytroner. Fraværet av spredning av en nøytronstråle av superfluid helium er allerede en god start. Alle parasittiske nøytroner spredt fra volumvinduene blir fanget opp av nøytronabsorbatorer som omgir detektoren for å minimere nøytronaktivering.
Detektoren vil også se Comptonhendelser forårsaket av øyeblikkelig utslipp av gammastråling under fangst av nøytroner ved inngangs- og utgangsvinduene. Det vil fremstå som to lyse brister i en tidssekvens og kan brukes som en tids- og intensitetsreferanse for å rekonstruere posisjonen til signalhendelser, kalibrere detektoren og karakterisere strålens spektrum.
Hva er bunnlinjen?
Denne nye metoden er fundamentalt forskjellig fraeksisterende bjelkeeksperimenter. Krever ikke et sterkt magnetfelt. Den bruker en pulserende stråle med nøytroner med mye lavere energi. Og superfluid heliumscintillasjonsdetektoren gir et klart sett med systematiske effekter. Selvfølgelig er det mange tekniske vanskeligheter å overvinne. I sin artikkel som beskriver den nye tilnærmingen, sa Wei, en eksperimentator i studiet av partikler i superfluid helium, at han var trygg på at den nye ideen til slutt ville bidra til å løse mysteriet om nøytronlevetiden og gi nye muligheter for å oppdage ny fysikk.
Les mer
Fant en ny type svart hull som ikke passer inn i relativitetsteorien
Abort og vitenskap: hva vil skje med barna som skal føde
Forskere har utviklet en erstatning for relativitetsteorien. Hva er essensen av "teorien om alt"?
Høy presisjon
US National Institute of Standards and Technology
J-PARC - protongasselerasjonskompleks forbehov for høyenergifysikk, hadronisk og nøytrino fysikk, materialvitenskap. Ligger i nærheten av Tokai, Japan, et felles prosjekt fra KEK National High Energy Physics Laboratory og JAEA atomenergibyrå.
Angstrom er en ikke-systemisk lengdeenhetsenhet lik 10⁻¹⁰ m. Den er oppkalt etter den svenske fysikeren og astronomen Anders Angstrom, som foreslo den i 1868.
Compton-effekt (Compton-effekt,Compton-spredning) - usammenhengende spredning av fotoner med gratiselektroner, betyr usammenheng at fotoner før og etter spredning ikke forstyrrer. Effekten er ledsaget av en endring i frekvensen til fotoner, hvor en del av energien overføres til elektroner etter spredning.
En solid vinkel er en del av rommet, som er foreningen av alle stråler som kommer fra et gitt punkt (toppervinkel) og krysser en overflate (som kalles overflaten,innsnevringgitt solid vinkel). Spesielle tilfeller av solide vinkler er trihedriske og polyedriske vinkler. Grensen for en solid vinkel er en viss konisk overflate.
Teoretisk beskrivelse av beta-forfall av kjernerble utviklet av fysikeren Enrico Fermi, som introduserte den viktigste egenskapen - Fermi-koblingskonstanten GFGF. Det hjelper til med å bestemme den absolutte verdien av kjerners levetid i forhold til beta-forfall. Samtidig beregnet E. Fermi formen på beta-spekteret av forfallselektroner i det enkleste tilfellet av tillatte beta-overganger (den såkalte Fermi-formen av beta-spektret).
Beta-forfall er delt inn i Fermi-type overganger, der spinnene til de utgående leptonene er antiparallelle, og Gamow-Teller-typen, der de utgående leptonspinnene er parallelle.
En elektronvolt er en off-system enhet av energi brukt i atom- og kjernefysikk, i elementær partikkelfysikk og i nært beslektede og beslektede vitenskapsfelt.