Jak długo żyje neutron?
Żywotność neutronów jest sprawą niezwykle fundamentalną i ważną do zrozumienia
Różnica 8-9 sekund jest czterokrotnie większabłąd pomiaru wynoszący dwie sekundy. Szansa, że się ze sobą zgodzą, wynosi około 60 na 1 milion, co jest praktycznie niemożliwe. Te sekundy stanowią tajemnicę czasu życia neutronów.
Dwie metody, dwa wyniki
Tak więc naukowcy wykorzystali dwie metody do określenia życia neutronu. Jak oni pracują?
- Metoda butelkowa
W metodzie butelkowej neutrony mogą byćzamknięte w butelce próżniowej wykonanej z materiału bezpiecznego dla neutronów lub trzymane przez pola magnetyczne i grawitację. Mają wyjątkowo niską energię kinetyczną i poruszają się z prędkością kilku metrów na sekundę. Nazywa się je ultrazimnymi neutronami (UCN). Fizycy oddzielają neutrony od jąder atomów, umieszczają je w butelce, a następnie liczą, ile z nich po chwili tam pozostaje. W rezultacie naukowcy doszli do wniosku, że neutrony rozpadają się radioaktywnie średnio w 14 minut i 39 sekund.
- Metoda promienia
Eksperymenty z promieniowaniem wykorzystują maszynyktóre wytwarzają strumienie neutronów. Naukowcy mierzą liczbę neutronów w określonej objętości wiązki. Następnie kierują przepływ przez pole magnetyczne do pułapki cząstek utworzonej przez pola elektryczne i magnetyczne. Neutrony rozpadają się w pułapce, w której fizycy mierzą liczbę pozostałych protonów. W takich eksperymentach określają średni czas życia neutronów na 14 minut i 48 sekund.
Wyniki
Jak dotąd jest siedem wynikówbardzo precyzyjne pomiary w butelce z różnymi ustawieniami i tylko dwoma pomiarami wiązki. W obu pomiarach wiązki zastosowano tę samą metodę - pułapkę Penninga. Produkt rozpadu, protony, jest wychwytywany i zliczany przez dobrze skalibrowany detektor.
Sama pułapka Penninga reprezentujeto urządzenie wykorzystujące jednolite statyczne pole magnetyczne i przestrzennie niejednorodne pole elektryczne do przechowywania naładowanych cząstek. Pułapki tego typu są często wykorzystywane do precyzyjnych pomiarów właściwości jonów i stabilnych cząstek subatomowych, które posiadają ładunek elektryczny.
Nie ma wątpliwości, że do porównania i weryfikacji potrzeba więcej eksperymentów, nie tylko z wiązką, ale ogólnie.
Czy są inne sposoby?
W metodzie wiązki fizycy określają, ileneutrony ulegają rozpadowi beta. Przypomnijmy, że rozpad beta neutronu to spontaniczna przemiana wolnego neutronu w proton z emisją cząstki β (elektronu) i antyneutrina elektronowego.
Precyzyjne pomiary parametrów rozpadu betaneutron (czas życia, korelacje kątowe pomiędzy pędem cząstki a spinem neutronu) są istotne dla określenia właściwości oddziaływania słabego. Jest to oddziaływanie fundamentalne, odpowiedzialne w szczególności za procesy rozpadu beta jąder atomowych i rozpady słabe cząstek elementarnych, a także łamanie w nich praw zachowania parzystości przestrzennej i złożonej. Oddziaływanie to nazywa się słabym, gdyż dwa pozostałe oddziaływania, istotne dla fizyki jądrowej i fizyki wysokich energii (silne i elektromagnetyczne), charakteryzują się znacznie większym natężeniem. Jest jednak znacznie silniejszy niż czwarte z podstawowych oddziaływań, czyli grawitacja.
Wykrywanie antyneutrin jest trudne.Wiodące na świecie detektory są często gigantyczne i celują w intensywne źródła strumienia, takie jak Słońce lub elektrownia jądrowa. Jednak tylko kilka wydarzeń ma miejsce w ciągu roku. Więc antyneutrino nie pomoże tutaj.
A co z protonem?Do tej pory wszystkie wyniki o największej dokładności w metodzie promieniowej uzyskiwano rejestrując protony. Obecnie trwają aktywne prace nad udoskonaleniem metody. Na przykład w NIST w USA przygotowywany jest zmodernizowany eksperyment BL3. Naukowcy z J-PARC niedawno ogłosili wstępne wyniki dotyczące czasu życia neutronów, wykrywając elektrony rozpadu beta za pomocą komory projekcyjnej czasu (TPC). Takie komory są połączeniem komór dryftowych i proporcjonalnych. Są najbardziej wszechstronnym instrumentem w fizyce wysokich energii, ponieważ pozwalają na uzyskanie trójwymiarowego elektronicznego obrazu toru o porównywalnej rozdzielczości przestrzennej we wszystkich trzech współrzędnych. Praca japońskich naukowców jest ożywieniem eksperymentu zaproponowanego po raz pierwszy przez Kossakowskiego i wsp. W 1989 roku. Obecnie pracują nad poprawieniem jego dokładności.
Po dziesięcioleciach wysiłków można założyć, że należy dokładnie zbadać wszystkie możliwe ścieżki metody promieniowej.
Czy jest więcej opcji?
Czas nadciekłego helu
Niedawno w swoim artykule „Nowy eksperymentna temat czasu życia neutronu wraz z rozpadem wiązki zimnych neutronów w nadciekłym helu-4”, opublikowanego w czasopiśmie Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, dr Wanchun Wei zaproponował nowe podejście. Mianowicie, użycie nadciekłego scyntylatora helu-4 do wykrycia produktu rozpadu neutronu – elektronu. Autor badania uzyskał stopień doktora fizyki na Brown University w USA oraz odbył staż podoktorski w Los Alamos National Laboratory. Obecnie pracuje jako inżynier badawczy w Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, USA (Caltech).
Eksperyment w UNCtau w Los Alamos przy użyciu metody butelkowej do pomiaru czasu życia neutronów
Pomysł Wei brzmi nietypowo, a oto dlaczego.
Większość eksperymentów na całe życieneutrony są przeprowadzane w warunkach wysokiej próżni, aby wykluczyć rozpraszanie neutronów na cząsteczkach gazu. Wyjątkiem jest eksperyment J-PARC, w którym TPC wymaga gazu roboczego do wzmocnienia ładunku rozpadu beta elektronu do wykrywalnego prądu. Wymagana jest zaawansowana analiza, aby zidentyfikować i wyeliminować zdarzenia tła spowodowane przez rozproszone neutrony.
Nowa metoda sprawdzi się dzięki niesamowitemuwłaściwości nadciekłego helu, cieczy kwantowej. Tworzy makroskopową funkcję fali kwantowej i większość z niej skrapla się w stanie podstawowym. Elementarne wzbudzenia w płynie kwantowym zostały przewidziane przez Landaua w 1947 roku i potwierdzone przez nieelastyczne rozpraszanie neutronów.
Osobliwością nadciekłego helu-4 jest to, że przepływa on bez tarcia po żadnej powierzchni, przepływa przez bardzo małe pory, kierując się jedynie własną bezwładnością.
Ciekły hel znajduje się w fazie nadciekłej.Chociaż pozostaje nadciekły, pełza po ściankach kubka cienką warstwą. Opada z zewnątrz, tworząc kroplę, która spadnie do cieczy poniżej. Utworzy się kolejna kropla — i tak dalej, aż filiżanka będzie pusta
Jeśli przepuszczanie wiązki neutronów przez gaz jest problematyczne, po co rozważać ciecz?
Tak, neutrony są rozproszone w nadciekłym helu,ale tylko na elementarnych wzbudzeniach. A warunek zachowania energii i pędu musi być spełniony. Cohen i Feynman wykazali w artykule opublikowanym w 1957 r., Że rozpraszanie nie występuje, jeśli długość fali neutronów przekracza 16,5 angstremów. Oznacza to, że niskoenergetyczne, długofalowe neutrony mogą przemieszczać się przez nadciekły hel-4, jak gdyby był to próżnia. To z kolei potwierdza propozycję nowego eksperymentu z wiązką z użyciem scyntylatora nadciekłego helu-4.
Nadciekły hel-4 jako scyntylator
Pierwszym detektorem scyntylacyjnym byłekran pokryty warstwą siarczku cynku (ZnS). Błyski, które wystąpiły, gdy uderzyły w nią naładowane cząstki, zostały zarejestrowane za pomocą mikroskopu. To właśnie z takim detektorem Geiger i Marsden przeprowadzili w 1909 roku eksperyment dotyczący rozpraszania cząstek alfa przez atomy złota, co doprowadziło do odkrycia jądra atomowego. Od 1944 roku rozbłyski światła scyntylatora są rejestrowane przez fotopowielacze (PMT). Później do tych celów wykorzystywano również fotodiody.
Scyntylator może być organiczny (kryształy, tworzywa sztuczne lub ciecze) lub nieorganiczny (kryształy lub szkła). Stosowane są również scyntylatory gazowe.
Nadciekły hel-4 jest dobrze zbadany jako kandydatdo detektora scyntylacyjnego neutrin i ciemnej materii. Kiedy naładowane cząstki o wysokiej energii kinetycznej zderzają się z nadciekłym helem-4, atomy helu są zjonizowane, wzbudzane i emitują światło scyntylacyjne. Proces jest dość skomplikowany, ale generalnie liczba emitowanych fotonów jest liniowo proporcjonalna do energii naładowanej cząstki. Uwolniony elektron przenosi energię kinetyczną w zakresie od zera do 782 keV od uwolnionej energii jądrowej w rozpadzie beta. W ten sposób liczbę neutronów ulegających rozpadowi można obliczyć z częstotliwości scyntylacji.
W międzyczasie konieczne jest kontrolowanie strumienia neutronówwiązka pulsacyjna. Można to zrobić za pomocą izotopu helu-3, który wychwytuje neutron, przekształca się w proton i tryton oraz uwalnia 764 keV energii. Szybkość takich zdarzeń wychwytywania jest proporcjonalna do strumienia wiązki. Te zdarzenia reprezentują odrzut rdzeni. Wręcz przeciwnie, rozpad jest oddaniem elektronów. Dlatego zdarzenia wychwytu i rozpadu mają inny zestaw sygnatur w sygnale scyntylacyjnym. W błyskawicznej poświacie zdarzenie przechwytywania wytwarza znacznie mniej fotonów na jednostkę energii wejściowej niż zdarzenie rozpadu. Zdarzenie przechwytywania ma krótki zakres zatrzymania wynoszący dziesiątki mikronów, podczas gdy zdarzenie rozpadu ma długi ślad do 2 cm. Analogicznie, jedna wygląda jak supernowa, a druga jak meteor. Ponadto mają wyraźne zachowanie w tempie zaniku trwałości.
Najwyższa dokładność
Kluczem do rozwiązania tajemnicy czasu życia neutronów jest wysoka dokładność. Nowy eksperyment ma sens tylko wtedy, gdy dokładność może osiągnąć 0,1% lub mniej niż 1 sekundę.
Zarejestrowanie wszystkich jest prawie niemożliweelektrony rozpadu beta, ponieważ niektóre z nich mają zbyt małą energię, aby uzyskać odpowiednie światło scyntylacyjne. Ale jest wyjście. Z jednej strony proponowany detektor zapewni rozdzielczość pozycyjną wzdłuż osi wiązki. Do bardzo dokładnej analizy danych zostaną wykorzystane tylko zdarzenia w obszarze centralnym. Z drugiej strony możesz zebrać jak najwięcej światła. Detektor jest przeznaczony do pokrycia ponad 96% kąta bryłowego zdarzeń w regionie centralnym, dzięki czemu można dokładnie odzyskać energię elektronów rozpadu beta. Wiele z tych zdarzeń składa się na dokładne widmo rozpadu β, które dobrze opisuje teoria Fermiego. Może brakować dolnej części widma z powodu niskiego migotania.
Ponadto ważne jest tłumienie wydarzeń w tle,szczególnie związane z rozproszonymi neutronami. Brak rozpraszania wiązki neutronów przez nadciekły hel to już dobry początek. Wszystkie pasożytnicze neutrony rozproszone z okien objętościowych zostaną wychwycone przez pochłaniacze neutronów otaczające detektor, aby zminimalizować aktywację neutronów.
Detektor zobaczy również Comptonzdarzenia wywołane chwilową emisją promieniowania gamma podczas wychwytywania neutronów przy oknach wejściowych i wyjściowych. Pojawi się jako dwa jasne rozbłyski w sekwencji czasowej i może służyć jako odniesienie czasu i intensywności do rekonstrukcji położenia zdarzeń sygnałowych, kalibracji detektora i scharakteryzowania widma wiązki.
Jaki jest wynik finansowy?
Ta nowa metoda różni się zasadniczo odistniejące eksperymenty z wiązką. Nie wymaga silnego pola magnetycznego. Wykorzystuje pulsacyjną wiązkę z neutronami o znacznie niższej energii. A detektor scyntylacyjny nadciekłego helu oferuje jasny zestaw systematycznych efektów. Oczywiście istnieje wiele trudności technicznych do pokonania. W swoim artykule opisującym nowe podejście Wei, eksperymentator zajmujący się badaniem cząstek w nadciekłym helu, powiedział, że jest przekonany, że nowy pomysł ostatecznie pomoże rozwiązać zagadkę czasu życia neutronów i zapewni nowe możliwości odkrycia nowej fizyki.
Czytaj więcej
Znaleziono nowy rodzaj czarnej dziury, który nie pasuje do teorii względności
Aborcja i nauka: co stanie się z dziećmi, które będą rodzić
Naukowcy opracowali substytut teorii względności. Jaka jest istota „teorii wszystkiego”?
Wysoka precyzja
Amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii
J-PARC - kompleks akceleratora protonów dlapotrzeby fizyki wysokich energii, fizyki hadronów i neutrin, materiałoznawstwa. Zlokalizowany niedaleko Tokai w Japonii wspólny projekt Krajowego Laboratorium Fizyki Wysokich Energii KEK i agencji energii atomowej JAEA.
Angstrom to niesystemowa jednostka miary długości równa 10⁻¹⁰ m. Jej nazwa pochodzi od szwedzkiego fizyka i astronoma Andersa Angstroma, który zaproponował ją w 1868 roku.
Efekt Comptona (Efekt Comptona,Rozpraszanie Comptona) - niespójne rozpraszanie fotonów przez swobodneelektronów, niespójność oznacza, że fotony przed i po rozproszeniu nie interferują. Efektowi towarzyszy zmiana częstotliwości fotonów, których część energii po rozproszeniu przenoszona jest na elektrony.
Kąt bryłowy jest częścią przestrzeni, która jest sumą wszystkich promieni wychodzących z danego punktu (najfatalniejszykątem) i przecinającą pewną powierzchnię (zwaną powierzchnią,zwężającedany kąt bryłowy). Szczególnymi przypadkami kątów bryłowych są kąty trójścienne i wielościenne. Granicę kąta bryłowego stanowi pewna powierzchnia stożkowa.
Teoretyczny opis rozpadu beta jąderzostał opracowany przez fizyka Enrico Fermiego, który przedstawił najważniejszą cechę - stałą sprzężenia Fermiego GFGF. Pomaga określić bezwzględną wartość czasu życia jąder w stosunku do rozpadu beta. Jednocześnie E. Fermi obliczył kształt widma beta rozpadu elektronów w najprostszym przypadku dopuszczalnych przejść beta (tzw. Postać widma beta Fermiego).
Rozpady beta dzielą się na przejścia typu Fermiego, w których spiny wychodzących leptonów są przeciwrównoległe, oraz typu Gamow-Tellera, w których spiny wychodzące leptonów są równoległe.
Elektronowolt jest jednostką energii poza układem, używaną w fizyce atomowej i jądrowej, w fizyce cząstek elementarnych oraz w ściśle powiązanych i pokrewnych dziedzinach nauki.