Ako dlho žije neutrón?
Životnosť neutrónov je taká zásadná a dôležitá na pochopenie
Rozdiel 8-9 sekúnd je štyrikrát väčšíchyba merania dve sekundy. Šanca, že sa medzi sebou dohodnú, je asi 60 ku 1 miliónu, čo je prakticky nemožné. Tieto sekundy predstavujú záhadu životnosti neutrónov.
Dve metódy, dva výsledky
Vedci teda použili na určenie životnosti neutrónu dve metódy. Ako fungujú?
- Fľašková metóda
Pri fľaškovej metóde môžu byť neutrónyuzavreté vo vákuovej fľaši vyrobenej z materiálu bezpečného pre neutróny alebo držané magnetickými poľami a gravitáciou. Majú extrémne nízku kinetickú energiu a pohybujú sa rýchlosťou niekoľko metrov za sekundu. Nazývajú sa ultrachladné neutróny (UCN). Fyzici oddeľujú neutróny od jadier atómov, vložia ich do fľaše a potom spočítajú, koľko z nich tam po chvíli zostane. Výsledkom je, že vedci dospeli k záveru, že neutróny sa rádioaktívne rozpadajú v priemere za 14 minút a 39 sekúnd.
- Rayova metóda
Radiačné experimenty využívajú strojektoré vytvárajú neutrónové toky. Vedci merajú počet neutrónov v určitom objeme lúča. Potom nasmerujú tok cez magnetické pole do lapača častíc tvoreného elektrickým a magnetickým poľom. Neutróny sa rozpadajú v pasci, kde fyzici merajú počet zostávajúcich protónov. V takýchto experimentoch určujú priemernú dobu života neutrónov na 14 minút 48 sekúnd.
výsledok
Výsledky sú zatiaľ sedemvysoko presné merania fliaš s rôznymi nastaveniami a iba dvoma meraniami lúča. Pri oboch meraniach lúčov sa použila rovnaká metóda - Penningova pasca. Produkt rozpadu, protóny, je ním zachytený a počítaný dobre kalibrovaným detektorom.
Samotná Penningova pasca predstavujeje zariadenie, ktoré využíva na ukladanie nabitých častíc rovnomerné statické magnetické pole a priestorovo nehomogénne elektrické pole. Tento typ pasce sa často používa na presné meranie vlastností iónov a stabilných subatomárnych častíc, ktoré majú elektrický náboj.
Niet pochýb o tom, že na porovnanie a overenie je potrebných viac experimentov, a to nielen s lúčom, ale aj všeobecne.
Existujú aj iné spôsoby?
Pri lúčovej metóde fyzici určujú koľkoneutróny podliehajú beta rozpadu. Pripomeňme, že rozpad beta neutrónu je spontánna premena voľného neutrónu na protón s emisiou β-častice (elektrónu) a elektrónového antineutrína.
Presné merania parametrov beta rozpaduneutrón (životnosť, uhlové korelácie medzi hybnosťou častíc a spinom neutrónov) sú dôležité pre určenie vlastností slabej interakcie. Ide o zásadnú interakciu, ktorá je zodpovedná najmä za procesy beta rozpadu atómových jadier a slabé rozpady elementárnych častíc, ako aj porušovanie zákonov zachovania priestorovej a kombinovanej parity v nich. Táto interakcia sa nazýva slabá, pretože ďalšie dve interakcie, významné pre jadrovú fyziku a fyziku vysokých energií (silná a elektromagnetická), sa vyznačujú oveľa väčšou intenzitou. Je však oveľa silnejšia ako štvrtá zo základných interakcií, gravitačná.
Detekcia antineutrína je zložitá.Popredné svetové detektory sú často gigantické a zameriavajú sa na intenzívny zdroj toku, ako je Slnko alebo jadrová elektráreň. Za rok sa však stane len niekoľko udalostí. Takže antineutrino tu nepomôže.
A čo protón?Doteraz boli všetky výsledky s najlepšou presnosťou v lúčovej metóde získavané registráciou protónov. Teraz prebiehajú aktívne práce na zdokonalení metódy. Napríklad v USA sa pripravuje modernizovaný experiment BL3. Vedci z J-PARC nedávno oznámili svoje predbežné výsledky životnosti neutrónov detekciou beta rozpadových elektrónov pomocou časovo projekčnej komory (TPC). Takéto komory sú kombináciou driftových a proporčných komôr. Sú najuniverzálnejším prístrojom vo fyzike vysokých energií, pretože umožňujú získať trojrozmerný elektronický obraz dráhy s porovnateľným priestorovým rozlíšením vo všetkých troch súradniciach. Práca japonských vedcov je oživením experimentu, ktorý prvýkrát navrhol Kossakowski a kol. V roku 1989. Teraz pracujú na zlepšení jeho presnosti.
Po desaťročiach úsilia možno predpokladať, že by sa mali starostlivo preskúmať všetky možné dráhy lúčovej metódy.
Alebo je viac možností?
Čas supratekutého hélia
Nedávno vo svojom článku „Nový experimento životnosti neutrónu s rozpadom zväzku studených neutrónov v supratekutom héliu-4,“ publikovanom v Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Dr. Wanchun Wei navrhol nový prístup. Konkrétne použiť superfluidný hélium-4 scintilátor na detekciu produktu rozpadu neutrónu — elektrónu. Autor štúdie získal doktorát z fyziky na Brown University v USA a absolvoval postdoktorandské štipendium v Los Alamos National Laboratory. V súčasnosti pracuje ako výskumný inžinier v Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, USA (Caltech).
Experimentujte v UNCtau v Los Alamos pomocou fľaškovej metódy na meranie životnosti neutrónov
Weiho nápad znie nezvyčajne a tu je dôvod, prečo.
Väčšina experimentov po celý životneutróny sa uskutočňujú za podmienok vysokého vákua, aby sa vylúčil rozptyl neutrónov na plynných časticiach. Výnimkou je experiment J-PARC, kde TPC vyžaduje pracovný plyn na zosilnenie beta rozpadu náboja elektrónu na zistiteľný prúd. Na identifikáciu a elimináciu udalostí pozadia spôsobených rozptýlenými neutrónmi je potrebná sofistikovaná analýza.
Nová metóda bude fungovať vďaka úžasnejvlastnosti supratekutého hélia, kvantovej kvapaliny. Tvorí makroskopickú funkciu kvantových vĺn a väčšina kondenzuje do základného stavu. Elementárne excitácie v kvantovej tekutine predpovedal Landau v roku 1947 a potvrdili ich nepružným rozptylom neutrónov.
Zvláštnosťou supertekutého hélia-4 je, že prúdi bez trenia po akomkoľvek povrchu, preteká veľmi malými pórmi a riadi sa iba vlastnou zotrvačnosťou.
Kvapalné hélium je v supratekutej fáze.Zatiaľ čo zostáva supratekutá, plazí sa pozdĺž steny pohára v tenkom filme. Klesá zvonku a vytvára kvapku, ktorá spadne do kvapaliny pod ňou. Ďalšia kvapka sa vytvorí — a tak ďalej, kým nie je pohár prázdny
Ak je prechod neutrónového lúča cez plyn problematický, prečo uvažovať o kvapaline?
Áno, neutróny sú rozptýlené v supratekutom héliu,ale iba na elementárnych excitáciách. A musí byť splnená podmienka zachovania energie a hybnosti. Cohen a Feynman vo svojom dokumente publikovanom v roku 1957 ukázali, že k rozptylu nedochádza, ak vlnová dĺžka neutrónov presiahne 16,5 angstromov. To znamená, že nízkoenergetické neutróny s dlhou vlnovou dĺžkou môžu cestovať cez supratekuté hélium-4, akoby išlo o vákuum. To následne potvrdzuje návrh nového experimentu s lúčmi so supratekutým scintilátorom hélium-4.
Superfluidné hélium-4 ako scintilátor
Prvý scintilačný detektor bolsito pokryté vrstvou sulfidu zinočnatého (ZnS). Záblesky, ktoré sa vyskytli pri dopade nabitých častíc, boli zaznamenané pomocou mikroskopu. Práve s takýmto detektorom uskutočnili Geiger a Marsden v roku 1909 experiment na rozptyle častíc alfa atómami zlata, ktorý viedol k objaveniu atómového jadra. Od roku 1944 boli svetelné záblesky zo scintilátora zaznamenávané elektrónkami multiplikátora (PMT). Neskôr sa na tieto účely začali využívať aj fotodiódy.
Scintilátor môže byť organický (kryštály, plasty alebo kvapaliny) alebo anorganický (kryštály alebo sklá). Používajú sa aj plynové scintilátory.
Superfluidné hélium-4 je dobre študované ako kandidátna scintilačný detektor neutrín a tmavej hmoty. Keď sa nabité častice s vysokou kinetickou energiou zrazia s supratekutým héliom-4, atómy hélia sú ionizované, excitované a vyžarujú scintilačné svetlo. Proces je dosť komplikovaný, ale všeobecne je počet emitovaných fotónov lineárne úmerný energii nabitej častice. Uvoľnený elektrón nesie kinetickú energiu v rozmedzí od nuly do 782 keV z uvoľnenej jadrovej energie v beta rozpade. Počet rozpadnutých neutrónov je možné vypočítať z frekvencie scintilácie.
Medzitým je potrebné riadiť tok neutrónovpulzný lúč. To je možné dosiahnuť pomocou izotopu hélia-3, ktorý zachytáva neutrón, premieňa sa na protón a triton a uvoľňuje 764 keV energie. Rýchlosť takýchto zachytávacích udalostí je úmerná toku lúča. Tieto udalosti predstavujú spätný úder jadier. Naopak, rozpad je darovaním elektrónov. Preto udalosti zachytenia a rozpadu majú odlišnú sadu podpisov v scintilačnom signáli. V okamžitej žiare udalosť zachytenia vyprodukuje oveľa menej fotónov na jednotku vstupu energie ako udalosť rozpadu. Udalosť zachytenia má krátky zastavovací rozsah desiatok mikrónov, zatiaľ čo udalosť rozpadu má dlhú stopu až 2 cm. Analogicky jeden vyzerá ako supernova a druhý ako meteor. Okrem toho sa vyznačujú zreteľným správaním pri rýchlosti rozkladu perzistencie.
Maximálna presnosť
Kľúčom k vyriešeniu záhady životnosti neutrónov je vysoká presnosť. Nový experiment má zmysel, iba ak presnosť môže dosiahnuť 0,1% alebo menej ako 1 sekundu.
Registrovať všetky je takmer nemožnéelektróny rozkladu beta, pretože niektoré z nich majú príliš nízku energiu na získanie adekvátneho scintilačného svetla. Existuje však cesta von. Na jednej strane navrhovaný detektor poskytne pozičné rozlíšenie pozdĺž osi lúča. Na vysoko presnú analýzu údajov sa použijú iba udalosti v centrálnej oblasti. Na druhej strane môžete nazbierať čo najviac svetla. Detektor je navrhnutý tak, aby pokryl viac ako 96% pevného uhla dejov v centrálnej oblasti, aby bolo možné presne získať energiu elektrónov beta rozpadu. Veľké množstvo týchto udalostí tvorí presné β-rozpadové spektrum, ktoré je dobre opísané Fermiho teóriou. Spodná časť spektra môže chýbať kvôli malému blikaniu.
Okrem toho je dôležité potlačenie udalostí na pozadí,obzvlášť spojené s rozptýlenými neutrónmi. Absencia rozptylu neutrónového lúča supratekutým héliom je už dobrým začiatkom. Všetky parazitické neutróny rozptýlené z objemových okien budú zachytené absorbérmi neutrónov obklopujúcich detektor, aby sa minimalizovala aktivácia neutrónov.
Detektor uvidí aj Comptonaudalosti spôsobené okamžitou emisiou gama žiarenia počas zachytávania neutrónov pri vstupnom a výstupnom okne. Budú sa javiť ako dva jasné záblesky v časovej postupnosti a môžu sa použiť ako referencia času a intenzity na rekonštrukciu polohy signálnych udalostí, kalibráciu detektora a charakterizáciu spektra lúča.
Čo je spodnom riadku?
Táto nová metóda sa zásadne líši odexistujúce experimenty s lúčmi. Nevyžaduje silné magnetické pole. Používa impulzný lúč s oveľa nižšími neutrónmi energie. A superfluidný scintilačný detektor hélia ponúka jasný súbor systematických efektov. Samozrejme je potrebné prekonať veľa technických ťažkostí. Wei, experimentátor v štúdiu častíc v supratekutom héliu, vo svojom článku popisujúcom nový prístup uviedol, že je presvedčený, že nová myšlienka nakoniec pomôže vyriešiť záhadu života neutrónov a poskytne nové príležitosti na objavenie novej fyziky.
Čítaj viac
Našiel sa nový druh čiernej diery, ktorý nezapadá do teórie relativity
Potraty a veda: čo sa stane s deťmi, ktoré budú rodiť
Vedci vyvinuli náhradu za teóriu relativity. Čo je podstatou „teórie všetkého“?
Vysoká presnosť
Americký národný inštitút pre štandardy a technológie
J-PARC - komplex urýchľovača protónov prepotreby fyziky vysokých energií, fyziky hadrónov a neutrín, náuka o materiáloch. Spoločný projekt Národného laboratória fyziky vysokých energií KEK a agentúry pre atómovú energiu JAEA v blízkosti Tokai v Japonsku.
Angstrom je nesystémová jednotka merania dĺžky rovnajúca sa 10⁻⁻⁰ m. Je pomenovaná po švédskom fyzikovi a astronómovi Andersovi Angstromovi, ktorý ju navrhol v roku 1868.
Comptonov efekt (Comptonov efekt,Comptonov rozptyl) - nekoherentný rozptyl fotónov zadarmoelektróny, inkoherencia znamená, že fotóny pred a po rozptýlení nerušia. Účinok je sprevádzaný zmenou frekvencie fotónov, ktorej časť energie sa po rozptýlení prenáša na elektróny.
Objemový uhol je časť priestoru, ktorá je spojením všetkých lúčov vychádzajúcich z daného bodu (vrcholyuhol) a pretína nejaký povrch (ktorý sa nazýva povrch,sťahujúcidaný priestorový uhol). Špeciálnymi prípadmi priestorových uhlov sú trojstenné a mnohostenné uhly. Hranicou priestorového uhla je určitá kužeľová plocha.
Teoretický popis beta rozpadu jadiervyvinul fyzik Enrico Fermi, ktorý predstavil najdôležitejšiu charakteristiku - Fermiho väzbovú konštantu GFGF. Pomáha určiť absolútnu hodnotu životnosti jadier vo vzťahu k beta rozpadu. E. Fermi súčasne vypočítal tvar beta spektra rozpadových elektrónov v najjednoduchšom prípade povolených prechodov beta (tzv. Fermiho forma beta spektra).
Beta rozpady sú rozdelené na prechody typu Fermi, pri ktorých sú rotácie odchádzajúcich leptónov antiparalelné, a typ Gamow-Teller, pri ktorom sú paralelné odchádzajúce leptóny.
Elektrónový volt je mimosystémová jednotka energie používaná v atómovej a jadrovej fyzike, vo fyzike elementárnych častíc a v príbuzných a príbuzných vedných oblastiach.