Hur länge lever en neutron?
Neutronlivslängden är så grundläggande och viktig att förstå
Skillnaden på 8-9 sekunder är fyra gånger störremätfel på två sekunder. Chansen att de kommer överens med varandra är cirka 60 på 1 miljon, vilket är praktiskt taget omöjligt. Dessa sekunder utgör mysteriet med neutronernas livslängd.
Två metoder, två resultat
Så, forskare använde två metoder för att bestämma livet för en neutron. Hur fungerar de?
- Flaskmetod
I flaskmetoden kan neutroner varaförseglas i en vakuumflaska gjord av neutronsäkert material eller hålls av magnetfält och gravitation. De har extremt låg kinetisk energi och rör sig med en hastighet på flera meter per sekund. De kallas ultrakolda neutroner (UCN). Fysiker skiljer neutroner från atomkärnorna, lägger dem i en flaska och räknar sedan hur många av dem som finns kvar efter ett tag. Som ett resultat drar forskare slutsatsen att neutroner sönderfaller radioaktivt på i genomsnitt 14 minuter och 39 sekunder.
- Strålmetod
Strålningsexperiment använder maskinersom skapar neutronflöden. Forskare mäter antalet neutroner i en viss volym av strålen. De styr sedan flödet genom ett magnetfält in i en partikelfälla som bildas av de elektriska och magnetiska fälten. Neutronerna sönderfaller i en fälla, där fysiker mäter antalet kvarvarande protoner. I sådana experiment bestämmer de den genomsnittliga neutronlivslängden vid 14 minuter 48 sekunder.
resultat
Det finns sju resultat hittillshögprecisionsflaskmätningar med olika inställningar och endast två strålmätningar. I båda strålmätningarna användes samma metod - Penning-fällan. Förfallsprodukten, protoner, fångas upp av den och räknas av en välkalibrerad detektor.
Penningfällan själv representerarär en enhet som använder ett enhetligt statiskt magnetfält och ett rumsligt inhomogent elektriskt fält för att lagra laddade partiklar. Denna typ av fälla används ofta för att göra exakta mätningar av egenskaperna hos joner och stabila subatomära partiklar som har en elektrisk laddning.
Det råder ingen tvekan om att fler experiment krävs för jämförelse och verifiering, inte bara med strålen utan i allmänhet.
Finns det andra sätt?
I strålmetoden bestämmer fysiker hur mycketneutroner genomgår beta-sönderfall. Låt oss komma ihåg att neutronbeta-sönderfall är den spontana omvandlingen av en fri neutron till en proton med emission av en β-partikel (elektron) och en elektron antineutrino.
Precisionsmätningar av beta-avklingningsparametrarneutron (livstid, vinkelkorrelationer mellan partikelmomenta och neutronspinn) är viktiga för att bestämma egenskaperna hos den svaga interaktionen. Detta är en grundläggande interaktion, särskilt ansvarig för processerna för beta-sönderfall av atomkärnor och svaga sönderfall av elementarpartiklar, såväl som brott mot lagarna för bevarande av rumslig och kombinerad paritet i dem. Denna interaktion kallas svag, eftersom de andra två interaktionerna, betydelsefulla för kärnfysik och högenergifysik (stark och elektromagnetisk), kännetecknas av mycket större intensitet. Det är dock mycket starkare än den fjärde av de grundläggande interaktionerna, gravitation.
Antineutrino upptäckt är svårt.Världens ledande detektorer är ofta gigantiska och riktar sig mot en intensiv källa till flöde som solen eller ett kärnkraftverk. Men bara ett fåtal händelser inträffar på ett år. Så antineutrino hjälper inte här.
Vad sägs om protonen?Hittills har alla resultat med bästa noggrannhet i strålmetoden erhållits genom att registrera protoner. Nu pågår ett aktivt arbete för att förbättra metoden. Till exempel är ett moderniserat BL3-experiment under beredning i NIST, USA. Forskare vid J-PARC tillkännagav nyligen sitt preliminära neutronlivslängd genom att detektera beta-nedbrytningselektroner med hjälp av en tidsprojektionskammare (TPC). Sådana kamrar är en kombination av drift och proportionella kamrar. De är det mest mångsidiga instrumentet i högenergifysik, eftersom de tillåter en att få en tredimensionell elektronisk bild av ett spår med en jämförbar rumsupplösning i alla tre koordinaterna. Arbetet med japanska forskare är en återupplivning av ett experiment som först föreslogs av Kossakowski et al. 1989. De arbetar nu för att förbättra dess noggrannhet.
Efter årtionden av ansträngning kan det antas att alla möjliga vägar för strålmetoden bör undersökas noggrant.
Eller finns det fler alternativ?
Superfluid heliumtid
Nyligen i sin artikel ”Nytt experimentom en neutrons livstid med sönderfallet av en stråle av kalla neutroner i superfluid helium-4”, publicerad i Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, föreslog Dr. Wanchun Wei ett nytt tillvägagångssätt. Nämligen att använda en superfluid helium-4 scintillator för att detektera sönderfallsprodukten från en neutron – en elektron. Författaren till studien tog sin doktorsexamen i fysik från Brown University, USA och avslutade sin postdoktorala stipendium vid Los Alamos National Laboratory. Han arbetar för närvarande som forskningsingenjör vid Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, USA (Caltech).
Experimentera vid UNCtau i Los Alamos med flaskmetoden för att mäta neutronens livslängd
Weis idé låter ovanlig, och här är varför.
De flesta livstidsexperimentneutroner utförs under högvakuumförhållanden för att utesluta neutronspridning på gaspartiklar. Ett undantag är J-PARC-experimentet, där TPC kräver en arbetsgas för att förstärka beta-sönderfallsladdningen för en elektron till en detekterbar ström. Sofistikerad analys krävs för att identifiera och eliminera bakgrundshändelser orsakade av spridda neutroner.
Den nya metoden kommer att fungera tack vare fantastiskaegenskaper av superfluid helium, kvantvätska. Det bildar en makroskopisk kvantvågfunktion, och det mesta kondenseras till marktillståndet. Elementära excitationer i en kvantvätska förutspåddes av Landau 1947 och bekräftades av oelastisk neutronspridning.
Det speciella med superfluid helium-4 är att det strömmar utan friktion över någon yta, strömmar genom mycket små porer och lyder endast sin egen tröghet.
Flytande helium är i en superflytande fas.Medan det förblir superflytande, kryper det längs koppens vägg i en tunn film. Den går ner från utsidan och bildar en droppe som faller ner i vätskan nedanför. Ytterligare en droppe kommer att bildas — och så vidare tills koppen är tom
Om det är problematiskt att leda en neutronstråle genom en gas, varför överväga en vätska?
Ja, neutroner är utspridda i superfluid helium,men bara på elementära excitationer. Och villkoret för bevarande av energi och fart måste uppfyllas. Cohen och Feynman visade i sitt papper som publicerades 1957 att spridning inte sker om neutronvåglängden överstiger 16,5 ångström. Detta innebär att neutroner med låg energi och långvåglängd kan färdas genom superfluid helium-4 som om det vore ett vakuum. I sin tur bekräftar detta förslaget till ett nytt stråleexperiment med en superfluid helium-4 scintillator.
Superfluid helium-4 som en scintillator
Den första scintillationsdetektorn varen skärm täckt med ett skikt av zinksulfid (ZnS). Blixten som inträffade när laddade partiklar träffade den registrerades med ett mikroskop. Det var med en sådan detektor som Geiger och Marsden genomförde ett experiment om spridning av alfapartiklar av guldatomer 1909, vilket ledde till upptäckten av atomkärnan. Sedan 1944 har ljusblixt från scintillatorn registrerats av fotomultiplikatorrör (PMT). Senare användes även fotodioder för dessa ändamål.
Scintillatorn kan vara organisk (kristaller, plaster eller vätskor) eller oorganiska (kristaller eller glas). Gasscintillatorer används också.
Superfluid helium-4 studeras väl som kandidattill scintillationsdetektorn av neutriner och mörk materia. När laddade partiklar med hög kinetisk energi kolliderar med superfluid helium-4 joniseras heliumatomerna, exciteras och avger scintillationsljus. Processen är ganska komplicerad, men i allmänhet är antalet utsända fotoner linjärt proportionellt mot energin hos den laddade partikeln. Den frisatta elektronen bär kinetisk energi i intervallet från noll till 782 keV från den frisatta kärnenergin i beta-sönderfall. Således kan antalet förfallna neutroner beräknas från scintillationsfrekvensen.
Under tiden är det nödvändigt att kontrollera neutronflödetpulsad stråle. Detta kan göras med isotopen helium-3, som fångar en neutron, omvandlas till en proton och en triton och frigör 764 keV energi. Hastigheten för sådana infångningshändelser är proportionell mot strålflödet. Dessa händelser representerar bakslag av kärnor. Tvärtom, förfall är donation av elektroner. Därför har hämtnings- och förfallshändelser en annan uppsättning signaturer i scintillationssignalen. I en omedelbar glöd producerar en infångningshändelse mycket färre fotoner per enhet energiintag än en förfallshändelse. Fångningshändelsen har ett kort stoppintervall på tiotals mikron, medan sönderfallshändelsen har ett långt spår på upp till 2 cm. Analogiskt ser en ut som en supernova och den andra som en meteor. Dessutom har de ett tydligt beteende i nedbrytningshastigheten för uthålligheten.
Ultimate precision
Nyckeln till att lösa mysteriet om neutronens livstid är hög noggrannhet. Det nya experimentet är bara vettigt om noggrannheten kan nå 0,1% eller mindre än 1 sekund.
Det är nästan omöjligt att registrera allabeta-nedbrytningselektroner, eftersom vissa av dem har för låg energi för att få tillräckligt med scintillationsljus. Men det finns en väg ut. Å ena sidan kommer den föreslagna detektorn att ge positionsupplösning längs strålaxeln. Endast händelser i det centrala området kommer att användas för mycket noggrann dataanalys. Å andra sidan kan du samla så mycket ljus som möjligt. Detektorn är utformad för att täcka mer än 96% av den fasta händelsevinkeln i det centrala området, så att energin hos beta-nedbrytningselektroner kan återvinnas exakt. Ett stort antal av dessa händelser utgör det exakta β-sönderfallsspektrumet, vilket beskrivs väl av Fermi-teorin. Den nedre delen av spektrumet kan saknas på grund av låg flimmer.
Dessutom är undertryckande av bakgrundshändelser viktigt,särskilt relaterad till utspridda neutroner. Frånvaron av spridning av en neutronstråle av superfluid helium är redan en bra start. Alla parasitiska neutroner utspridda från volymfönstren kommer att fångas upp av neutronabsorbenter som omger detektorn för att minimera neutronaktivering.
Detektorn kommer också att se Comptonhändelser orsakade av omedelbar emission av gammastrålning under fångsten av neutroner vid ingångs- och utgångsfönstren. Det kommer att visas som två ljusa skurar i en tidssekvens och kan användas som en tids- och intensitetsreferens för att rekonstruera positionen för signalhändelser, kalibrera detektorn och karakterisera strålens spektrum.
Vad är slutresultatet?
Denna nya metod skiljer sig i grunden frånbefintliga stråleexperiment. Kräver inte ett starkt magnetfält. Den använder en pulsad stråle med neutroner med mycket lägre energi. Och superfluid heliumscintillationsdetektorn erbjuder en tydlig uppsättning systematiska effekter. Naturligtvis finns det många tekniska svårigheter att övervinna. I sin artikel som beskriver det nya tillvägagångssättet sa Wei, en experimentör i studien av partiklar i superfluid helium, att han var övertygad om att den nya idén i slutändan skulle hjälpa till att lösa mysteriet om neutronlivslängden och ge nya möjligheter att upptäcka ny fysik.
Läs mer
Hittade en ny typ av svart hål som inte passar in i relativitetsteorin
Abort och vetenskap: vad kommer att hända med barnen som kommer att föda
Forskare har utvecklat en ersättning för relativitetsteorin. Vad är kärnan i "alltingsteorin"?
Hög precision
US National Institute of Standards and Technology
J-PARC - protonaccelerator komplex förbehov av högenergifysik, hadronik och neutrinofysik, materialvetenskap. Beläget nära Tokai, Japan, ett gemensamt projekt av KEK National High Energy Physics Laboratory och JAEAs atomenergibyrå.
Angström är en icke-systemisk längdenhet på 10 equal m. Den är uppkallad efter den svenska fysikern och astronomen Anders Angström, som föreslog den 1868.
Compton-effekt (Compton-effekt,Compton-spridning) - osammanhängande spridning av fotoner med frielektroner betyder inkoherens att fotoner före och efter spridning inte stör. Effekten åtföljs av en förändring av frekvensen hos fotoner, varav en del av energin överförs till elektroner efter spridning.
En fast vinkel är en del av rymden, vilket är föreningen av alla strålar som härrör från en given punkt (blastvinkel) och skär någon yta (som kallas ytan,förträngandegiven rymdvinkel). Speciella fall av rymdvinklar är triedriska och polyedriska vinklar. Gränsen för en rymd vinkel är en viss konisk yta.
Teoretisk beskrivning av beta-sönderfall av kärnorutvecklades av fysikern Enrico Fermi, som introducerade den viktigaste egenskapen - Fermi-kopplingskonstanten GFGF. Det hjälper till att bestämma det absoluta värdet på kärnornas livstid i förhållande till betaförfall. Samtidigt beräknade E. Fermi formen på beta-spektrumet av sönderfallselektroner i det enklaste fallet med tillåtna beta-övergångar (den så kallade Fermi-formen av beta-spektrumet).
Betaförfall är indelade i övergångar av Fermi-typ, där de utgående leptons snurr är antiparallella och Gamow-Teller-typen, där de utgående leptonsnurr är parallella.
En elektronvolt är en off-systemenhet av energi som används i atom- och kärnfysik, i elementärpartikelfysik och i närbesläktade och relaterade vetenskapsområden.