Quanto tempo vive um nêutron?
A vida útil do nêutron é tão fundamental e importante para entender
A diferença de 8-9 segundos é quatro vezes maiorerro de medição de dois segundos. A chance de eles concordarem entre si é de cerca de 60 em 1 milhão, o que é praticamente impossível. Esses segundos constituem o mistério da vida útil dos nêutrons.
Dois métodos, dois resultados
Então, os cientistas usaram dois métodos para determinar a vida de um nêutron. Como eles funcionam?
- Método de garrafa
No método da garrafa, os nêutrons podem serselado em uma garrafa de vácuo feita de material seguro para nêutrons ou mantida por campos magnéticos e gravidade. Eles têm energia cinética extremamente baixa e se movem a uma velocidade de vários metros por segundo. Eles são chamados de nêutrons ultracold (UCNs). Os físicos separam os nêutrons dos núcleos dos átomos, colocam-nos em uma garrafa e contam quantos deles permanecem lá depois de um tempo. Como resultado, os cientistas concluíram que os nêutrons decaem radioativamente em uma média de 14 minutos e 39 segundos.
- Método de raio
Experimentos de radiação usam máquinasque criam fluxos de nêutrons. Os cientistas medem o número de nêutrons em um determinado volume do feixe. Eles então direcionam o fluxo através de um campo magnético para uma armadilha de partículas formada pelos campos elétrico e magnético. Os nêutrons decaem em uma armadilha, onde os físicos medem o número de prótons restantes. Nesses experimentos, eles determinam a vida média dos nêutrons em 14 minutos e 48 segundos.
Resultados
Existem sete resultados até agoramedições de garrafa de alta precisão com configurações diferentes e apenas duas medições de feixe. Em ambas as medições de feixe, o mesmo método foi usado - a armadilha Penning. O produto de decaimento, prótons, é capturado por ele e contado por um detector bem calibrado.
A própria armadilha de Penning representaé um dispositivo que utiliza um campo magnético estático uniforme e um campo elétrico espacialmente não homogêneo para armazenar partículas carregadas. Esse tipo de armadilha é frequentemente usado para fazer medições precisas das propriedades de íons e partículas subatômicas estáveis que possuem carga elétrica.
Não há dúvida de que mais experimentos são necessários para comparação e verificação, não apenas com o feixe, mas em geral.
Existem outras maneiras?
No método do feixe, os físicos determinam quantoos nêutrons sofrem decaimento beta. Lembremos que o decaimento beta do nêutron é a transformação espontânea de um nêutron livre em um próton com a emissão de uma partícula β (elétron) e um antineutrino de elétron.
Medições de precisão dos parâmetros de decaimento betanêutrons (tempo de vida, correlações angulares entre os momentos das partículas e o spin do nêutron) são importantes para determinar as propriedades da interação fraca. Esta é uma interação fundamental, responsável em particular pelos processos de decaimento beta de núcleos atômicos e decaimentos fracos de partículas elementares, bem como por violações das leis de conservação da paridade espacial e combinada neles. Essa interação é chamada de fraca, pois as outras duas interações, significativas para a física nuclear e para a física de altas energias (forte e eletromagnética), são caracterizadas por uma intensidade muito maior. No entanto, é muito mais forte que a quarta das interações fundamentais, a gravitacional.
A detecção de antineutrino é difícil.Os principais detectores do mundo geralmente são gigantescos e têm como alvo uma fonte intensa de fluxo, como o Sol ou uma usina nuclear. No entanto, apenas alguns eventos acontecem em um ano. Portanto, o antineutrino não ajudará aqui.
E o próton?Até agora, todos os resultados com a melhor precisão no método do raio foram obtidos registrando prótons. Agora, um trabalho ativo está em andamento para melhorar o método. Por exemplo, um experimento BL3 modernizado está em preparação no NIST, EUA. Pesquisadores do J-PARC anunciaram recentemente o resultado preliminar da vida útil dos nêutrons detectando elétrons de decaimento beta usando uma câmara de projeção de tempo (TPC). Essas câmaras são uma combinação de câmaras de deriva e proporcionais. Eles são o instrumento mais versátil da física de altas energias, pois permitem obter uma imagem eletrônica tridimensional de uma trilha com resolução espacial comparável nas três coordenadas. O trabalho dos cientistas japoneses é um renascimento de um experimento proposto pela primeira vez por Kossakowski et al., Em 1989. Eles agora estão trabalhando para melhorar sua precisão.
Após décadas de esforço, pode-se presumir que todas as vias possíveis do método de raios devem ser investigadas cuidadosamente.
Ou existem mais opções?
Tempo de hélio superfluido
Recentemente, em seu artigo “Novo experimentosobre o tempo de vida de um nêutron com o decaimento de um feixe de nêutrons frios no superfluido hélio-4”, publicado no Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, o Dr. Wanchun Wei propôs uma nova abordagem. Ou seja, usar um cintilador superfluido de hélio-4 para detectar o produto de decaimento de um nêutron – um elétron. O autor do estudo recebeu seu doutorado em física pela Brown University, nos EUA, e concluiu seu pós-doutorado no Laboratório Nacional de Los Alamos. Atualmente trabalha como engenheiro de pesquisa no Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, EUA (Caltech).
Experiência na UNCtau em Los Alamos usando o método da garrafa para medir a vida útil do nêutron
A ideia de Wei parece incomum e aqui está o porquê.
A maioria dos experimentos de vidanêutrons são realizados sob condições de alto vácuo para excluir o espalhamento de nêutrons em partículas de gás. Uma exceção é o experimento J-PARC, onde o TPC requer um gás de trabalho para amplificar a carga de decaimento beta de um elétron para uma corrente detectável. Uma análise sofisticada é necessária para identificar e eliminar eventos de fundo causados por nêutrons dispersos.
O novo método funcionará graças ao incrívelpropriedades do hélio superfluido, líquido quântico. Ela forma uma função de onda quântica macroscópica e a maior parte dela se condensa no estado fundamental. Excitações elementares em um fluido quântico foram previstas por Landau em 1947 e confirmadas por espalhamento inelástico de nêutrons.
A peculiaridade do hélio-4 superfluido é que ele flui sem atrito sobre nenhuma superfície, flui por poros muito pequenos, obedecendo apenas à sua própria inércia.
O hélio líquido está em uma fase superfluida.Embora permaneça superfluido, ele se espalha pela parede do copo em uma película fina. Ele desce de fora, formando uma gota que cairá no líquido abaixo. Outra gota se formará — e assim por diante até que o copo esteja vazio
Se passar um feixe de nêutrons através de um gás é problemático, por que considerar um líquido?
Sim, os nêutrons estão espalhados no hélio superfluido,mas apenas em excitações elementares. E a condição de conservação de energia e momento deve ser cumprida. Cohen e Feynman mostraram em seu artigo publicado em 1957 que o espalhamento não ocorre se o comprimento de onda do nêutron exceder 16,5 angstroms. Isso significa que nêutrons de baixa energia e comprimento de onda longo podem viajar através do superfluido hélio-4 como se fosse um vácuo. Por sua vez, isso confirma a proposta de um novo experimento de feixe com um cintilador superfluido de hélio-4.
Superfluido hélio-4 como cintilador
O primeiro detector de cintilação foiuma tela coberta com uma camada de sulfeto de zinco (ZnS). Os flashes que ocorreram quando partículas carregadas o atingiram foram registrados usando um microscópio. Foi com esse detector que Geiger e Marsden conduziram um experimento sobre o espalhamento de partículas alfa por átomos de ouro em 1909, o que levou à descoberta do núcleo atômico. Desde 1944, flashes de luz do cintilador foram registrados por tubos fotomultiplicadores (PMTs). Mais tarde, fotodiodos também foram usados para esses fins.
O cintilador pode ser orgânico (cristais, plásticos ou líquidos) ou inorgânico (cristais ou vidros). Cintiladores gasosos também são usados.
O superfluido hélio-4 é bem estudado como candidatoao detector de cintilação de neutrinos e matéria escura. Quando partículas carregadas com alta energia cinética colidem com o superfluido hélio-4, os átomos de hélio são ionizados, excitados e emitem luz de cintilação. O processo é bastante complicado, mas, em geral, o número de fótons emitidos é linearmente proporcional à energia da partícula carregada. O elétron liberado carrega energia cinética na faixa de zero a 782 keV da energia nuclear liberada em decaimento beta. Assim, o número de nêutrons decaídos pode ser calculado a partir da frequência de cintilação.
Nesse ínterim, é necessário controlar o fluxo de nêutronsfeixe pulsado. Isso pode ser feito com o isótopo hélio-3, que captura um nêutron, se converte em um próton e um tritão e libera 764 keV de energia. A taxa de tais eventos de captura é proporcional ao fluxo do feixe. Esses eventos representam o retrocesso dos núcleos. Pelo contrário, decadência é a doação de elétrons. Portanto, os eventos de captura e decaimento têm um conjunto diferente de assinaturas no sinal de cintilação. Em um brilho instantâneo, um evento de captura produz muito menos fótons por unidade de entrada de energia do que um evento de decaimento. O evento de captura tem um curto intervalo de parada de dezenas de mícrons, enquanto o evento de decaimento tem uma longa trilha de até 2 cm. Por analogia, um parece uma supernova e o outro um meteoro. Além disso, apresentam um comportamento distinto na taxa de decaimento da persistência.
Precisão final
A chave para resolver o mistério da vida útil dos nêutrons é a alta precisão. O novo experimento só faz sentido se a precisão puder chegar a 0,1% ou menos de 1 segundo.
É quase impossível registrar todoselétrons de decaimento beta, porque alguns deles têm uma energia muito baixa para obter luz de cintilação adequada. Mas existe uma saída. Por um lado, o detector proposto fornecerá resolução posicional ao longo do eixo do feixe. Apenas eventos na área central serão usados para análises de dados altamente precisas. Por outro lado, você pode coletar o máximo de luz possível. O detector é projetado para cobrir mais de 96% do ângulo sólido de eventos na região central, de modo que a energia dos elétrons do decaimento beta possa ser recuperada com precisão. Um grande número desses eventos compõe o espectro de decaimento β exato, que é bem descrito pela teoria de Fermi. A parte inferior do espectro pode estar faltando devido à baixa oscilação.
Além disso, a supressão de eventos de fundo é importante,especialmente relacionado a nêutrons dispersos. A ausência de espalhamento de um feixe de nêutrons pelo hélio superfluido já é um bom começo. Todos os nêutrons parasitas espalhados pelas janelas de volume serão capturados por absorvedores de nêutrons ao redor do detector para minimizar a ativação de nêutrons.
O detector também verá Comptoneventos causados pela emissão instantânea de radiação gama durante a captura de nêutrons nas janelas de entrada e saída. Ele aparecerá como duas rajadas brilhantes em uma sequência de tempo e pode ser usado como uma referência de tempo e intensidade para reconstruir a posição dos eventos de sinal, calibrar o detector e caracterizar o espectro do feixe.
Qual é o resultado final?
Este novo método é fundamentalmente diferente deexperimentos de feixe existentes. Não requer um campo magnético forte. Ele usa um feixe pulsado com nêutrons de energia muito mais baixa. E o detector de cintilação de hélio superfluido oferece um conjunto claro de efeitos sistemáticos. Claro, existem muitas dificuldades técnicas a serem superadas. Em seu artigo descrevendo a nova abordagem, Wei, um experimentador no estudo de partículas em hélio superfluido, disse estar confiante de que a nova ideia ajudaria a resolver o mistério da vida útil dos nêutrons e forneceria novas oportunidades para descobrir novas físicas.
Consulte Mais informação
Encontrou um novo tipo de buraco negro que não se encaixa na teoria da relatividade
Aborto e ciência: o que acontecerá com as crianças que darão à luz
Os cientistas desenvolveram um substituto para a teoria da relatividade. Qual é a essência da "teoria de tudo"?
Alta precisão
Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA
J-PARC - complexo acelerador de prótons paranecessidades de física de alta energia, física hadrônica e neutrina, ciência dos materiais. Localizado perto de Tokai, Japão, um projeto conjunto do Laboratório Nacional de Física de Altas Energias KEK e a agência de energia atômica JAEA.
Angstrom é uma unidade não sistêmica de medida de comprimento igual a 10 ⁻¹⁰ m. Seu nome é uma homenagem ao físico e astrônomo sueco Anders Angstrom, que a propôs em 1868.
Efeito Compton (Efeito Compton,Efeito Compton) - espalhamento incoerente de fótons por livreelétrons, incoerência significa que os fótons antes e depois do espalhamento não interferem. O efeito é acompanhado por uma mudança na frequência dos fótons, parte da energia da qual é transferida para os elétrons após o espalhamento.
Um ângulo sólido é uma parte do espaço, que é a união de todos os raios que emanam de um determinado ponto (topsângulo) e cruzando alguma superfície (que é chamada de superfície,constritivodado ângulo sólido). Casos especiais de ângulos sólidos são ângulos triédricos e poliédricos. O limite de um ângulo sólido é uma certa superfície cônica.
Descrição teórica do decaimento beta de núcleosfoi desenvolvido pelo físico Enrico Fermi, que introduziu a característica mais importante - a constante de acoplamento de Fermi GFGF. Ajuda a determinar o valor absoluto do tempo de vida dos núcleos em relação ao decaimento beta. Simultaneamente, E. Fermi calculou a forma do espectro beta dos elétrons de decaimento no caso mais simples de transições beta permitidas (a chamada forma de Fermi do espectro beta).
Os decaimentos beta são divididos em transições do tipo Fermi, nas quais os spins dos leptons de saída são antiparalelos, e do tipo Gamow-Teller, em que os spins do leptão de saída são paralelos.
Um volt de elétron é uma unidade de energia fora do sistema usada na física atômica e nuclear, na física de partículas elementares e em campos da ciência intimamente relacionados.