Cât trăiește un neutron?
Durata de viață a neutronilor este atât de fundamentală și importantă de înțeles
Diferența de 8-9 secunde este de patru ori mai mareeroare de măsurare de două secunde. Șansa ca ei să fie de acord unul cu celălalt este de aproximativ 60 la 1 milion, ceea ce este practic imposibil. Aceste secunde constituie misterul vieții neutronilor.
Două metode, două rezultate
Deci, oamenii de știință au folosit două metode pentru a determina viața unui neutron. Cum funcționează?
- Metoda sticlei
În metoda sticlei, neutronii pot fisigilate într-o sticlă de vid fabricată din material sigur pentru neutroni sau ținută de câmpuri magnetice și gravitație. Au energie cinetică extrem de redusă și se mișcă cu o viteză de câțiva metri pe secundă. Se numesc neutroni ultracold (UCN). Fizicienii separă neutronii de nucleele atomilor, le pun într-o sticlă și apoi numără câte dintre ele rămân acolo după un timp. Ca urmare, oamenii de știință concluzionează că neutronii se descompun radioactiv în medie 14 minute și 39 de secunde.
- Metoda Ray
Experimentele cu radiații folosesc mașinicare creează fluxuri de neutroni. Oamenii de știință măsoară numărul de neutroni dintr-un anumit volum al fasciculului. Apoi direcționează fluxul printr-un câmp magnetic într-o capcană de particule formată de câmpurile electrice și magnetice. Neutronii se descompun într-o capcană, unde fizicienii măsoară numărul de protoni rămași. În astfel de experimente, ei determină durata medie de viață a neutronilor la 14 minute și 48 de secunde.
rezultate
Există șapte rezultate până acummăsurători de sticlă de înaltă precizie cu setări diferite și numai două măsurători ale fasciculului. În ambele măsurători ale fasciculului, a fost utilizată aceeași metodă - capcana Penning. Produsul de descompunere, protoni, este captat de acesta și numărat de un detector bine calibrat.
Însuși capcana Penning reprezintăeste un dispozitiv care utilizează un câmp magnetic static uniform și un câmp electric neomogen din punct de vedere spațial pentru a stoca particulele încărcate. Acest tip de capcană este adesea folosit pentru a face măsurători precise ale proprietăților ionilor și ale particulelor subatomice stabile care au o sarcină electrică.
Nu există nicio îndoială că sunt necesare mai multe experimente pentru comparație și verificare, nu numai cu fasciculul, ci în general.
Există alte modalități?
În metoda fasciculului, fizicienii determină câtneutronii suferă dezintegrare beta. Să ne reamintim că dezintegrarea neutronului beta este transformarea spontană a unui neutron liber într-un proton cu emisia unei particule β (electron) și a unui antineutrino electronic.
Măsurători de precizie ale parametrilor de dezintegrare betaneutronii (durata de viață, corelațiile unghiulare dintre momentul particulelor și spinul neutronilor) sunt importanți pentru determinarea proprietăților interacțiunii slabe. Aceasta este o interacțiune fundamentală, responsabilă în special de procesele de dezintegrare beta a nucleelor atomice și de dezintegrare slabă a particulelor elementare, precum și de încălcarea legilor de conservare a parității spațiale și combinate în ele. Această interacțiune se numește slabă, deoarece celelalte două interacțiuni, semnificative pentru fizica nucleară și fizica de înaltă energie (puternic și electromagnetic), sunt caracterizate de o intensitate mult mai mare. Cu toate acestea, este mult mai puternic decât a patra dintre interacțiunile fundamentale, gravitațională.
Detectarea antineutrino este dificilă.Detectoarele de top din lume sunt adesea gigantice și vizează o sursă intensă de flux precum Soarele sau o centrală nucleară. Cu toate acestea, doar câteva evenimente se întâmplă într-un an. Deci antineutrino nu va ajuta aici.
Dar protonul?Până acum, toate rezultatele cu cea mai bună precizie în metoda razelor au fost obținute prin înregistrarea protonilor. Acum se lucrează activ pentru îmbunătățirea metodei. De exemplu, un experiment BL3 modernizat este în curs de pregătire la NIST, SUA. Cercetătorii de la J-PARC au anunțat recent rezultatul preliminar al duratei de viață a neutronilor prin detectarea electronilor de dezintegrare beta folosind o cameră de proiecție în timp (TPC). Astfel de camere sunt o combinație de camere de derivare și camere proporționale. Acestea sunt cel mai versatil instrument din fizica cu energie ridicată, deoarece permit obținerea unei imagini electronice tridimensionale a unei piste cu o rezoluție spațială comparabilă în toate cele trei coordonate. Opera oamenilor de știință japonezi este o renaștere a unui experiment propus pentru prima dată de Kossakowski și colab., În 1989. Acum lucrează pentru a-i îmbunătăți acuratețea.
După zeci de ani de efort, se poate presupune că toate căile posibile ale metodei raze ar trebui să fie investigate cu atenție.
Sau există mai multe opțiuni?
Timp de heliu superfluid
Recent, în articolul său „Nou experimentprivind durata de viață a unui neutron cu dezintegrarea unui fascicul de neutroni reci în heliu-4 superfluid”, publicat în Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Dr. Wanchun Wei a propus o nouă abordare. Și anume, să folosești un scintilator cu heliu-4 superfluid pentru a detecta produsul de dezintegrare al unui neutron - un electron. Autorul studiului și-a luat doctoratul în fizică la Universitatea Brown, SUA și și-a încheiat bursa postdoctorală la Laboratorul Național Los Alamos. În prezent lucrează ca inginer de cercetare la Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, SUA (Caltech).
Experimentați la UNCtau la Los Alamos folosind metoda sticlei pentru a măsura durata de viață a neutronilor
Ideea lui Wei pare neobișnuită și iată de ce.
Cele mai multe experimente de-a lungul viețiineutronii se efectuează în condiții de vid ridicat pentru a exclude împrăștierea neutronilor asupra particulelor de gaz. O excepție este experimentul J-PARC, în care TPC necesită un gaz de lucru pentru a amplifica încărcătura beta de dezintegrare a unui electron la un curent detectabil. Este necesară o analiză sofisticată pentru a identifica și elimina evenimentele de fond cauzate de neutroni împrăștiați.
Noua metodă va funcționa grație uimitoruluiproprietățile heliului superfluid, lichid cuantic. Formează o funcție de undă cuantică macroscopică și cea mai mare parte se condensează în starea fundamentală. Excitațiile elementare într-un fluid cuantic au fost prezise de Landau în 1947 și confirmate prin împrăștierea inelastică a neutronilor.
Particularitatea heliului-4 superfluid este că acesta curge fără frecare pe orice suprafață, curge prin pori foarte mici, ascultându-și doar propria inerție.
Heliul lichid este într-o fază superfluid.În timp ce rămâne superfluid, se strecoară de-a lungul peretelui cupei într-o peliculă subțire. Coboară din exterior, formând o picătură care va cădea în lichidul de dedesubt. O altă picătură va forma — și tot așa până când cana este goală
Dacă trecerea unui fascicul de neutroni printr-un gaz este problematică, de ce să luăm în considerare un lichid?
Da, neutronii sunt împrăștiați în heliu superfluid,dar numai pe excitații elementare. Și condiția de conservare a energiei și a impulsului trebuie îndeplinită. Cohen și Feynman au arătat în lucrarea lor publicată în 1957 că împrăștierea nu are loc dacă lungimea de undă a neutronilor depășește 16,5 angstromi. Aceasta înseamnă că neutronii cu energie mică, cu lungime de undă lungă, pot călători prin heliu-4 superfluid ca și când ar fi un vid. La rândul său, acest lucru confirmă propunerea pentru un nou experiment cu fascicul cu un scintilator de heliu-4 superfluid.
Superfluid heliu-4 ca scintilator
Primul detector de scintilație a fostun ecran acoperit cu un strat de sulfură de zinc (ZnS). Blițurile care au apărut atunci când particulele încărcate au lovit-o au fost înregistrate cu ajutorul unui microscop. Cu un astfel de detector Geiger și Marsden au efectuat un experiment privind împrăștierea particulelor alfa de către atomii de aur în 1909, ceea ce a dus la descoperirea nucleului atomic. Din 1944, luminile de pe scintilator au fost înregistrate de tuburile fotomultiplicatoare (PMT). Ulterior, fotodiodele au fost folosite și în aceste scopuri.
Scintilatorul poate fi organic (cristale, materiale plastice sau lichide) sau anorganic (cristale sau pahare). Se folosesc și scintilatoare gazoase.
Superfluidul heliu-4 este bine studiat ca candidatla detectorul de scintilație de neutrini și materie întunecată. Când particulele încărcate cu energie cinetică ridicată se ciocnesc cu heliu-4 superfluid, atomii de heliu sunt ionizați, excitați și emit lumină de scintilație. Procesul este destul de complicat, dar, în general, numărul de fotoni emiși este liniar proporțional cu energia particulelor încărcate. Electronul eliberat transportă energia cinetică în intervalul de la zero la 782 keV de la energia nucleară eliberată în descompunere beta. Astfel, numărul de neutroni descompuși poate fi calculat din frecvența de scintilație.
Între timp, este necesar să se controleze fluxul de neutronifascicul pulsat. Acest lucru se poate face cu izotopul heliu-3, care captează un neutron, se transformă într-un proton și un triton și eliberează 764 keV de energie. Rata unor astfel de evenimente de captare este proporțională cu fluxul fasciculului. Aceste evenimente reprezintă reculul nucleelor. Dimpotrivă, decăderea este donarea de electroni. Prin urmare, evenimentele de captură și descompunere au un set diferit de semnături în semnalul de scintilație. Într-o strălucire instantanee, un eveniment de captură produce mult mai puțini fotoni pe unitate de energie de intrare decât un eveniment de descompunere. Evenimentul de captură are o rază scurtă de oprire de zeci de microni, în timp ce evenimentul de descompunere are un traseu lung de până la 2 cm. Prin analogie, unul arată ca o supernovă, iar celălalt ca un meteor. În plus, au un comportament distinct în rata de descompunere a persistenței.
Precizie finală
Cheia pentru rezolvarea misterului duratei de viață a neutronilor este o precizie ridicată. Noul experiment are sens numai dacă acuratețea poate ajunge la 0,1% sau mai puțin de 1 secundă.
Este aproape imposibil să înregistrați toateelectroni beta se dezintegrează, deoarece unii dintre ei au o energie prea mică pentru a obține o lumină scintilantă adecvată. Dar există o cale de ieșire. Pe de o parte, detectorul propus va oferi rezoluție pozițională de-a lungul axei fasciculului. Numai evenimentele din zona centrală vor fi utilizate pentru analiza datelor foarte precisă. Pe de altă parte, puteți colecta cât mai multă lumină posibil. Detectorul este conceput pentru a acoperi mai mult de 96% din unghiul solid al evenimentelor din regiunea centrală, astfel încât energia electronilor de dezintegrare beta să poată fi recuperată cu precizie. Un număr mare dintre aceste evenimente alcătuiesc spectrul exact de decădere β, care este bine descris de teoria Fermi. Partea inferioară a spectrului poate lipsi din cauza sclipirii scăzute.
În plus, suprimarea evenimentelor de fundal este importantă,mai ales legate de neutronii împrăștiați. Absența împrăștierii unui fascicul de neutroni de heliu superfluid este deja un bun început. Toți neutronii paraziți împrăștiați din ferestrele de volum vor fi capturați de absorbanții de neutroni care înconjoară detectorul pentru a minimiza activarea neutronilor.
Detectorul va vedea și Comptonevenimente cauzate de emisia instantanee de radiații gamma în timpul captării neutronilor la ferestrele de intrare și ieșire. Va apărea ca două rafale luminoase într-o secvență de timp și poate fi folosit ca referință de timp și intensitate pentru a reconstrui poziția evenimentelor de semnal, a calibra detectorul și a caracteriza spectrul fasciculului.
Care este linia de jos?
Această nouă metodă este fundamental diferită deexperimente existente cu fascicul. Nu necesită un câmp magnetic puternic. Folosește un fascicul pulsat cu neutroni cu energie mult mai mică. Iar detectorul de scintilație cu heliu superfluid oferă un set clar de efecte sistematice. Desigur, există multe dificultăți tehnice de depășit. În articolul său care descrie noua abordare, Wei, un experimentator în studiul particulelor din heliu superfluid, a spus că este încrezător că noua idee va ajuta în cele din urmă să rezolve misterul vieții neutronilor și să ofere noi oportunități pentru descoperirea unei noi fizici.
Citeste mai mult
Am găsit un nou tip de gaură neagră care nu se încadrează în teoria relativității
Avortul și știința: ce se va întâmpla cu copiii care vor naște
Oamenii de știință au dezvoltat un înlocuitor pentru teoria relativității. Care este esența „teoriei tuturor”?
Precizie ridicata
Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA
J-PARC - complex accelerator de protoni pentrunevoile de fizică a energiei ridicate, fizica hadronică și neutrino, știința materialelor. Situat lângă Tokai, Japonia, un proiect comun al Laboratorului Național de Fizică de Înaltă Energie KEK și al agenției de energie atomică JAEA.
Angstrom este o unitate nesistemică de măsurare a lungimii egală cu 10⁻¹⁰ m. Este numită după fizicianul și astronomul suedez Anders Angstrom, care a propus-o în 1868.
Efect Compton (Efect Compton,Împrăștierea Compton) - împrăștierea incoerentă a fotonilor prin liberelectroni, incoerența înseamnă că fotonii înainte și după împrăștiere nu interferează. Efectul este însoțit de o modificare a frecvenței fotonilor, o parte a energiei cărora este transferată la electroni după împrăștiere.
Un unghi solid este o parte a spațiului, care este uniunea tuturor razelor care emană dintr-un punct dat (vârfuriunghi) și intersectând o suprafață (care se numește suprafață,constrângeredat un unghi solid). Cazurile speciale ale unghiurilor solide sunt unghiurile triedrice și poliedrice. Limita unui unghi solid este o anumită suprafață conică.
Descrierea teoretică a degradării beta a nucleelora fost dezvoltat de fizicianul Enrico Fermi, care a introdus cea mai importantă caracteristică - constanta de cuplare Fermi GFGF. Ajută la determinarea valorii absolute a duratei de viață a nucleelor în raport cu degradarea beta. În același timp, E. Fermi a calculat forma spectrului beta al electronilor de descompunere în cel mai simplu caz de tranziții beta permise (așa-numita formă Fermi a spectrului beta).
Dezintegrările beta sunt împărțite în tranziții de tip Fermi, în care rotirile leptonelor de ieșire sunt antiparalele și tipul Gamow-Teller, în care rotirile de lepton de ieșire sunt paralele.
Un electron volt este o unitate de energie din sistem utilizată în fizica atomică și nucleară, în fizica particulelor elementare și în domeniile științifice strâns legate și conexe.