Колико живи неутрон?
Животни век неутрона је толико фундаменталан и важан за разумевање
Разлика од 8-9 секунди је четири пута већагрешка мерења од две секунде. Шанса да се међусобно договоре је око 60 према милион, што је практично немогуће. Ове секунде представљају мистерију животног века неутрона.&нбсп;
Две методе, два резултата
Дакле, научници су користили две методе за одређивање живота неутрона. Како раде?
- Метода флаша
У методи бочице, неутрони могу битизатворени у вакуумску боцу направљену од неутронски безбедног материјала или у магнетним пољима и гравитацијом. Имају изузетно ниску кинетичку енергију и крећу се брзином од неколико метара у секунди. Зову се ултрахладни неутрони (УЦН). Физичари одвајају неутроне од атомских језгара, стављају их у боцу, а затим пребројавају колико их остаје тамо након неког времена. Као резултат, научници закључују да се неутрони распадају радиоактивно у просеку за 14 минута и 39 секунди.
- Раи метода
Експерименти радијације користе машинекоји стварају неутронске токове. Научници мере број неутрона у одређеној запремини зрака. Они затим усмеравају ток кроз магнетно поље у замку честица коју формирају електрично и магнетно поље. Неутрони се распадају у замци, где физичари мере број преосталих протона. У таквим експериментима они одређују просечни животни век неутрона на 14 минута и 48 секунди.
Резултати
До сада постоји седам резултатамерења боца високе прецизности са различитим подешавањима и само мерења са два зрака. У оба мерења снопа коришћена је иста метода - Пеннингова замка. Производ хватања, протони, он хвата и броји добро калибрисаним детектором.
Сама Пенингова замка представљаје уређај који користи једнолично статичко магнетно поље и просторно нехомогено електрично поље за складиштење наелектрисаних честица. Ова врста замке се често користи за прецизна мерења својстава јона и стабилних субатомских честица које имају електрични набој.
Нема сумње да је за поређење и верификацију потребно више експеримената, не само са снопом, већ уопште.
Постоје ли други начини?
У методи зрака физичари одређују коликонеутрони пролазе кроз бета распад. Подсетимо се да је бета распад неутрона спонтана трансформација слободног неутрона у протон уз емисију β-честице (електрона) и електронског антинеутрина.&нбсп;
Прецизна мерења параметара бета распаданеутрон (век трајања, угаоне корелације између момента честица и спина неутрона) су важни за одређивање особина слабе интеракције. Ово је фундаментална интеракција, одговорна посебно за процесе бета распада атомских језгара и слабих распада елементарних честица, као и кршења закона одржања просторног и комбинованог паритета у њима. Ова интеракција се назива слабом, пошто се друге две интеракције, значајне за нуклеарну физику и физику високих енергија (јака и електромагнетна), одликују много већим интензитетом. Међутим, много је јача од четврте фундаменталне интеракције, гравитационе.
Антинеутрино је тешко открити.Водећи светски детектори често су гигантски и циљају интензиван извор флукса као што је Сунце или нуклеарна електрана. Истовремено, у години се догоди само неколико догађаја. Дакле, антинеутрино овде неће помоћи.
Шта је са протоном?До сада су сви резултати са најбољом тачношћу у зрачној методи добијени регистрацијом протона. Данас се активно ради на побољшању методе. На пример, модернизовани експеримент БЛ3 је у припреми у НИСТ-у, САД. Истраживачи из Ј-ПАРЦ-а недавно су објавили свој прелиминарни животни век неутрона откривањем електрона бета распада помоћу временске пројекционе коморе (ТПЦ). Такве коморе су комбинација дрифт и пропорционалних комора. Они су најсвестранији инструмент у физици високих енергија, јер омогућавају добијање тродимензионалне електронске слике стазе са упоредивом просторном резолуцијом у све три координате. Рад јапанских научника је оживљавање експеримента који су први предложили Коссаковски и сарадници 1989. године. Они сада раде на побољшању његове тачности.
После деценија напора, може се претпоставити да све могуће путеве зрачне методе треба пажљиво истражити.
Или има више опција?
Супертечно време хелијума
Недавно је у свом чланку „Нови експерименто животном веку неутрона са распадом снопа хладних неутрона у суперфлуидном хелијуму-4”, објављеном у Јоурнал оф Пхисицс Г: Нуцлеар анд Партицле Пхисицс, др Ванчун Веј је предложио нови приступ. Наиме, да се користи суперфлуидни хелијум-4 сцинтилатор за детекцију продукта распада неутрона — електрона. Аутор студије је докторирао физику на Универзитету Браун у САД и завршио постдокторску стипендију у Националној лабораторији Лос Аламос. Тренутно ради као истраживач у Келлог лабораторији за зрачење, Калифорнијски институт за технологију, САД (Цалтецх).
Експеримент на УНЦтау у Лос Аламосу методом боце за мерење животног века неутрона
Веијева идеја звучи необично, а ево и зашто.
Већина доживотних експерименатанеутрони се изводе у условима високог вакуума да би се искључило расипање неутрона на честицама гаса. Изузетак је Ј-ПАРЦ експеримент, где ТПЦ захтева радни гас за појачавање наелектрисања бета распада електрона на детективну струју. Потребна је софистицирана анализа како би се идентификовали и елиминисали позадински догађаји изазвани расејаним неутронима.
Нова метода ће радити захваљујући невероватнимсвојства супертечног хелијума, квантне течности. Формира макроскопску квантну таласну функцију и већина се кондензује у основно стање. Елементарна побуђења у квантној течности предвидео је Ландау 1947. године, а потврдио их нееластичним распршивањем неутрона.
Посебност супертечног хелијума-4 је у томе што тече без трења по било којој површини, тече кроз врло мале поре, подвргавајући се само својој инерцији.
Течни хелијум је у суперфлуидној фази.Док остаје супертечан, пузи дуж зида шоље у танком филму. Спушта се споља, формирајући кап која ће пасти у течност испод. Још једна кап ће се формирати — и тако све док се чаша не испразни
Ако је пролазак неутронског зрака кроз гас проблематичан, зашто размишљати о течности?
Да, неутрони су расејани у супер течном хелијуму,али само на елементарна узбуђења. А услов очувања енергије и замаха мора бити испуњен. Цохен и Феинман показали су у свом чланку објављеном 1957. године да се расејање не догађа ако таласна дужина неутрона прелази 16,5 ангстрома. То значи да нискоенергијски неутрони дуге таласне дужине могу продрети у течни хелијум-4 као да је вакуум. Заузврат, ово потврђује предлог за нови експеримент са снопом течног сцинтилатора хелијум-4.
Супертечни хелијум-4 као сцинтилатор
Први сцинтилациони детектор био јепараван прекривен слојем цинковог сулфида (ЗнС). Бљескови који су се догодили када су на њих наелектрисане честице забележени су микроскопом. Са таквим детектором су Геигер и Марсден 1909. године спровели експеримент у расејању алфа честица атомима злата, што је довело до открића атомског језгра. Од 1944. светлосни блицеви из сцинтилатора бележе се фотомултипликаторским цевима (ПМТ). Касније су се у ове сврхе користиле и фотодиоде.
Сцинтилатор може бити органски (кристали, пластика или течности) или неоргански (кристали или чаше). Користе се и гасовити сцинтилатори.&нбсп;
Супертечни хелијум-4 је добро проучен као кандидатна сцинтилациони детектор неутрина и тамне материје. Када се наелектрисане честице високе кинетичке енергије сударе са супертечним хелијумом-4, атоми хелијума јонизују, побуђују и емитују сцинтилациону светлост. Процес је прилично сложен, али генерално је број емитованих фотона линеарно пропорционалан енергији наелектрисане честице. Ослобођени електрон носи кинетичку енергију у опсегу од нула до 782 кеВ из ослобођене нуклеарне енергије у бета распаду. Дакле, број распаднутих неутрона може се израчунати из фреквенције сцинтилације.
У међувремену је неопходно контролисати неутронски токимпулсни сноп. То се може постићи изотопом хелијум-3, који захвата неутрон, претвара се у протон и тритон и ослобађа 764 кеВ енергије. Брзина таквих догађаја хватања је пропорционална протоку зрака. Ови догађаји представљају повратак језгара. Супротно томе, распад је донирање електрона. Сходно томе, догађаји хватања и блеђења имају другачији скуп потписа у сцинтилацијском сигналу. У тренутном сјају, догађај хватања производи много мање фотона по јединици уложене енергије од догађаја распадања. Догађај хватања има кратак опсег заустављања од десетина микрона, док догађај распадања има дугачак траг до 2 цм. По аналогији, једна изгледа као супернова, а друга као метеор. Поред тога, имају различито понашање у брзини пропадања упорности.
Крајња тачност
Кључ за решавање мистерије живота неутрона је велика тачност. Нови експеримент има смисла само ако тачност може достићи 0,1% или мање од 1 секунде.
Готово је немогуће све регистроватиелектрони бета распада, јер неки од њих имају премало енергије да би добили одговарајућу сцинтилациону светлост. Али постоји излаз. С једне стране, предложени детектор ће пружити позицијску резолуцију дуж осе снопа. За изузетно прецизну анализу података користиће се само догађаји у централном подручју. С друге стране, можете сакупити што више светлости. Детектор је дизајниран да покрије више од 96% чврстог угла догађаја у централном региону, тако да се енергија бета распадајућих електрона може тачно повратити. Велики број ових догађаја чини тачан спектар β-распада, што је добро описала Фермијева теорија. Доњи део спектра можда недостаје због слабог треперења.
Поред тога, сузбијање позадинских догађаја је важно,посебно повезан са расејаним неутронима. Одсуство расипања неутронског снопа супертечним хелијумом већ је добар почетак. Сви паразитски неутрони расејани из прозора запремине биће заробљени неутронским апсорберима који окружују детектор како би се минимизирало активирање неутрона.
Такође, детектор ће видети и Цомптондогађаји изазвани тренутном емисијом гама зрачења током захвата неутрона на улазном и излазном прозору. Појавит ће се као два сјајна рафала у временском низу и може се користити као референца времена и интензитета за реконструкцију положаја сигналних догађаја, калибрацију детектора и карактеризацију спектра снопа.
Која је суштина?
Ова нова метода се фундаментално разликује одпостојећи експерименти са гредама. Не захтева јако магнетно поље. Користи импулсни сноп са много нижим енергетским неутронима. А супертечни детектор сцинтилације хелијума нуди јасан систематски ефекат. Наравно, има много техничких изазова које треба превазићи. У свом чланку који описује нови приступ, Веи, експериментатор у проучавању честица у супертечном хелијуму, рекао је да је уверен да ће нова идеја на крају помоћи у решавању мистерије живота неутрона и пружити нове могућности за откривање нове физике.
Опширније
Пронашли смо нову врсту црне рупе која се не уклапа у теорију релативности
Побачај и наука: шта ће бити са децом која ће се родити
Научници су развили замену за теорију релативности. Шта је суштина „теорије свега“?
Високу прецизност
Амерички национални институт за стандарде и технологију
Ј-ПАРЦ је комплекс протонског акцелератора запотребе физике високих енергија, физике хадрона и неутрина, науке о материјалима. Смештен у близини Токаија у Јапану, заједнички пројекат Националне лабораторије за физику високих енергија КЕК-а и агенције за атомску енергију ЈАЕА.
Ангстром је несистемска јединица мере дужине једнака 10⁻¹⁰ м. Име је добила по шведском физичару и астроному Андерсу Ангстрому, који ју је предложио 1868. године.
Цомптонов ефекат (Цомптонов ефекат,Комптонско расејање) - некохерентно расејање фотона слободнимелектрона, некохерентност значи да се фотони пре и после расејања не мешају. Ефекат је праћен променом фреквенције фотона чији се део енергије, након расејања, преноси на електроне.
Чврсти угао је део простора, који је спој свих зрака који произлазе из дате тачке (врховиугао) и пресецање неке површине (која се зове површина,стезањедати чврсти угао). Посебни случајеви чврстих углова су троуглови и полиедари. Граница чврстог угла је одређена конична површина.
Теоријски опис бета распада језгараразвио је физичар Енрицо Ферми, који је представио најважнију карактеристику - Фермијеву константу спреге ГФГФ. Помаже у одређивању апсолутне вредности животног века језгара у односу на бета распад. Истовремено, Е. Ферми је израчунао облик бета спектра распадајућих електрона у најједноставнијем случају дозвољених бета прелаза (такозвани Ферми облик бета спектра).
Бета распади су подељени на прелазе типа Ферми, у којима су спинови одлазећих лептона антипаралелни, и тип Гамов-Теллер, у којима су одлазни лептонски спинови паралелни.
Електронски волт је несистемска јединица енергије која се користи у атомској и нуклеарној физици, физици елементарних честица и сродним и сродним областима науке.