นิวตรอนมีชีวิตอยู่ได้นานแค่ไหน?
อายุการใช้งานของนิวตรอนเป็นพื้นฐานและสําคัญที่ต้องเข้าใจ
ความแตกต่าง 8-9 วินาทีนั้นมากกว่าสี่เท่าข้อผิดพลาดในการวัดสองวินาที โอกาสที่จะตกลงกันมีประมาณ 60 ใน 1 ล้าน ซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย วินาทีเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นปริศนาแห่งอายุของนิวตรอน
สองวิธีสองผลลัพธ์
ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงใช้สองวิธีในการกำหนดอายุของนิวตรอน พวกเขาทำงานอย่างไร?
- วิธีขวด
ในวิธีขวดนิวตรอนสามารถเป็นได้ปิดผนึกในขวดสูญญากาศที่ทำจากวัสดุที่ปลอดภัยจากนิวตรอนหรือยึดไว้ด้วยสนามแม่เหล็กและแรงโน้มถ่วง พวกมันมีพลังงานจลน์ต่ำมากและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วหลายเมตรต่อวินาที เรียกว่านิวตรอนอัลตราโคลด์ (UCNs) นักฟิสิกส์แยกนิวตรอนออกจากนิวเคลียสของอะตอมใส่ไว้ในขวดแล้วนับจำนวนนิวตรอนที่เหลืออยู่หลังจากนั้นสักครู่ ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงสรุปว่านิวตรอนสลายกัมมันตภาพรังสีในเวลาเฉลี่ย 14 นาที 39 วินาที
- วิธีการเรย์
การทดลองทางรังสีใช้เครื่องจักรซึ่งสร้างฟลักซ์นิวตรอน นักวิทยาศาสตร์วัดจำนวนนิวตรอนในปริมาตรหนึ่งของลำแสง จากนั้นพวกมันจะควบคุมการไหลผ่านสนามแม่เหล็กไปยังกับดักอนุภาคที่เกิดจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก นิวตรอนจะสลายตัวในกับดัก ซึ่งนักฟิสิกส์จะวัดจำนวนโปรตอนที่เหลืออยู่ ในการทดลองดังกล่าว จะกำหนดอายุการใช้งานของนิวตรอนเฉลี่ยที่ 14 นาที 48 วินาที
ผล
มีเจ็ดผลลัพธ์จนถึงตอนนี้การวัดขวดที่มีความแม่นยำสูงด้วยการตั้งค่าที่แตกต่างกันและการวัดลำแสงเพียงสองครั้ง ในการวัดลำแสงทั้งสองวิธีใช้วิธีเดียวกัน - กับดัก Penning ผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวคือโปรตอนถูกจับและนับโดยเครื่องตรวจจับที่ได้รับการปรับเทียบอย่างดี
กับดัก Penning นั้นเป็นตัวแทนเป็นอุปกรณ์ที่ใช้สนามแม่เหล็กคงที่สม่ำเสมอและสนามไฟฟ้าที่ไม่เหมือนกันเชิงพื้นที่เพื่อกักเก็บอนุภาคที่มีประจุ กับดักประเภทนี้มักใช้ในการวัดคุณสมบัติของไอออนและอนุภาคย่อยของอะตอมที่เสถียรซึ่งมีประจุไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ
ไม่ต้องสงสัยเลยว่าจำเป็นต้องมีการทดลองเพิ่มเติมเพื่อเปรียบเทียบและตรวจสอบไม่เพียง แต่กับลำแสงเท่านั้น แต่โดยทั่วไป
มีวิธีอื่นอีกไหม
ในวิธีบีม นักฟิสิกส์จะกำหนดจำนวนเท่าใดนิวตรอนจะเกิดการสลายเบต้า ขอให้เราจำไว้ว่าการสลายตัวของเบต้านิวตรอนคือการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองของนิวตรอนอิสระไปเป็นโปรตอนโดยการปล่อยอนุภาค β (อิเล็กตรอน) และอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโน
การวัดที่แม่นยำของพารามิเตอร์การสลายตัวของเบต้านิวตรอน (อายุการใช้งาน ความสัมพันธ์เชิงมุมระหว่างโมเมนตาของอนุภาคและการหมุนของนิวตรอน) มีความสำคัญต่อการพิจารณาคุณสมบัติของอันตรกิริยาที่อ่อนแอ นี่คือปฏิสัมพันธ์พื้นฐานที่รับผิดชอบโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการสลายเบต้าของนิวเคลียสของอะตอมและการสลายตัวที่อ่อนแอของอนุภาคมูลฐานรวมถึงการละเมิดกฎการอนุรักษ์ความเท่าเทียมกันเชิงพื้นที่และรวมกันในนั้น ปฏิกิริยานี้เรียกว่าอ่อน เนื่องจากอีกสองอันตรกิริยาซึ่งมีนัยสำคัญสำหรับฟิสิกส์นิวเคลียร์และฟิสิกส์พลังงานสูง (แรงและแม่เหล็กไฟฟ้า) มีลักษณะเฉพาะที่มีความเข้มข้นมากกว่ามาก อย่างไรก็ตาม มันแข็งแกร่งกว่าปฏิสัมพันธ์พื้นฐานครั้งที่สี่ซึ่งก็คือแรงโน้มถ่วงมาก
การตรวจหา Antineutrino ทำได้ยากเครื่องตรวจจับชั้นนำของโลกมักมีขนาดมหึมาและกำหนดเป้าหมายไปยังแหล่งที่มาของฟลักซ์ที่เข้มข้นเช่นดวงอาทิตย์หรือโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ อย่างไรก็ตามมีเพียงไม่กี่เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในหนึ่งปี antineutrino จะไม่ช่วยที่นี่
แล้วโปรตอนล่ะ?จนถึงขณะนี้ผลลัพธ์ทั้งหมดที่มีความแม่นยำสูงสุดในวิธีการเรย์ได้มาจากการลงทะเบียนโปรตอน ขณะนี้งานที่ใช้งานอยู่อยู่ระหว่างการปรับปรุงวิธีการ ตัวอย่างเช่นการทดลอง BL3 ที่ทันสมัยอยู่ระหว่างการเตรียมการที่ NIST ประเทศสหรัฐอเมริกา นักวิจัยของ J-PARC เพิ่งประกาศผลอายุการใช้งานของนิวตรอนเบื้องต้นโดยการตรวจจับอิเล็กตรอนที่สลายตัวของเบต้าโดยใช้ห้องฉายภาพเวลา (TPC) ห้องดังกล่าวเป็นการผสมผสานระหว่างช่องลอยและช่องตามสัดส่วน เป็นเครื่องมือที่หลากหลายที่สุดในฟิสิกส์พลังงานสูงเนื่องจากอนุญาตให้ได้ภาพอิเล็กทรอนิกส์สามมิติของแทร็กที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่ที่เทียบเคียงได้ในทั้งสามพิกัด ผลงานของนักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นเป็นการฟื้นฟูการทดลองครั้งแรกที่เสนอโดย Kossakowski et al ในปี 1989 ตอนนี้พวกเขากำลังดำเนินการปรับปรุงความแม่นยำ
หลังจากใช้ความพยายามมานานหลายทศวรรษสันนิษฐานได้ว่าควรตรวจสอบเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดของวิธีการฉายรังสีอย่างรอบคอบ
หรือมีตัวเลือกเพิ่มเติมหรือไม่?
เวลาฮีเลียม Superfluid
เมื่อเร็ว ๆ นี้ในบทความของเขาเรื่อง “การทดลองใหม่ในช่วงอายุของนิวตรอนที่มีการสลายของลำแสงนิวตรอนเย็นในซูเปอร์ฟลูอิดฮีเลียม-4” ซึ่งตีพิมพ์ในวารสารฟิสิกส์ G: ฟิสิกส์นิวเคลียร์และอนุภาค ดร. วันชุน เหว่ย เสนอแนวทางใหม่ กล่าวคือ การใช้ superfluid helium-4 scintillator เพื่อตรวจจับผลจากการสลายตัวของนิวตรอน ซึ่งก็คืออิเล็กตรอน ผู้เขียนงานวิจัยนี้สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยบราวน์ สหรัฐอเมริกา และสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอส ปัจจุบันเขาทำงานเป็นวิศวกรวิจัยที่ Kellogg Radiation Laboratory, California Institute of Technology, USA (Caltech)
ทดลองที่ UNCtau ที่ Los Alamos โดยใช้วิธีการบรรจุขวดเพื่อวัดอายุการใช้งานของนิวตรอน
ความคิดของ Wei ฟังดูผิดปกติและนี่คือเหตุผล
การทดลองตลอดชีวิตส่วนใหญ่นิวตรอนดำเนินการภายใต้สภาวะสุญญากาศสูงเพื่อไม่ให้นิวตรอนกระจัดกระจายไปบนอนุภาคของก๊าซ ข้อยกเว้นคือการทดลอง J-PARC ซึ่ง TPC ต้องการก๊าซที่ใช้งานได้เพื่อขยายประจุการสลายตัวของอิเล็กตรอนไปยังกระแสไฟฟ้าที่ตรวจจับได้ จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ที่ซับซ้อนเพื่อระบุและกำจัดเหตุการณ์เบื้องหลังที่เกิดจากนิวตรอนกระจัดกระจาย
วิธีใหม่นี้จะใช้งานได้จริงคุณสมบัติของฮีเลียม superfluid ของเหลวควอนตัม มันสร้างฟังก์ชันคลื่นควอนตัมแบบมหภาคและส่วนใหญ่ควบแน่นเป็นสถานะพื้น การกระตุ้นเบื้องต้นในของเหลวควอนตัมถูกทำนายโดย Landau ในปี 1947 และได้รับการยืนยันโดยการกระเจิงของนิวตรอนที่ไม่ยืดหยุ่น
ลักษณะเฉพาะของฮีเลียม -4 superfluid คือมันไหลโดยไม่มีแรงเสียดทานบนพื้นผิวใด ๆ ไหลผ่านรูพรุนขนาดเล็กมากโดยเป็นไปตามความเฉื่อยของตัวมันเองเท่านั้น
ฮีเลียมเหลวอยู่ในสถานะของเหลวยิ่งยวด และตราบใดที่มันยังคงเป็นของไหลยิ่งยวด มันก็จะคลานเหมือนฟิล์มบางๆมันจมลงจากภายนอกก่อตัวเป็นหยดที่จะตกลงมาหยดอื่นจะก่อตัวขึ้นเรื่อย ๆ จนกว่าถ้วยจะไม่อีกต่อไปเปล่า
ถ้าการส่งลำแสงนิวตรอนผ่านก๊าซเป็นปัญหาทำไมต้องพิจารณาของเหลว?
ใช่นิวตรอนกระจัดกระจายอยู่ในฮีเลียม superfluidแต่เป็นเพียงการกระตุ้นเบื้องต้นเท่านั้น และต้องเป็นไปตามเงื่อนไขของการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม โคเฮนและไฟย์แมนแสดงให้เห็นในบทความของพวกเขาที่ตีพิมพ์ในปี 2500 ว่าการกระเจิงจะไม่เกิดขึ้นหากความยาวคลื่นนิวตรอนเกิน 16.5 อังสตรอม ซึ่งหมายความว่านิวตรอนความยาวคลื่นยาวพลังงานต่ำสามารถเดินทางผ่านฮีเลียม -4 superfluid ราวกับว่าเป็นสุญญากาศ ในทางกลับกันสิ่งนี้เป็นการยืนยันข้อเสนอสำหรับการทดลองลำแสงใหม่ด้วยเครื่อง scintillator ฮีเลียม -4 superfluid
Superfluid helium-4 เป็น scintillator
เครื่องตรวจจับประกายไฟเครื่องแรกคือหน้าจอปกคลุมด้วยชั้นสังกะสีซัลไฟด์ (ZnS) แสงวาบที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคที่มีประจุพุ่งชนถูกบันทึกโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ ด้วยเครื่องตรวจจับดังกล่าวทำให้ Geiger และ Marsden ได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการกระจัดกระจายของอนุภาคแอลฟาด้วยอะตอมของทองคำในปี 1909 ซึ่งนำไปสู่การค้นพบนิวเคลียสของอะตอม ตั้งแต่ปีพ. ศ. 2487 แสงกะพริบจาก scintillator ได้รับการบันทึกโดยหลอดโฟโตมัลติเพลเยอร์ (PMTs) ต่อมามีการใช้โฟโตไดโอดเพื่อวัตถุประสงค์เหล่านี้ด้วย
ประกายไฟอาจเป็นสารอินทรีย์ (คริสตัล พลาสติก หรือของเหลว) หรืออนินทรีย์ (คริสตัลหรือแก้ว)นอกจากนี้ยังใช้ เครื่องส่องแสงที่เป็นก๊าซ
Superfluid helium-4 ได้รับการศึกษาอย่างดีในฐานะผู้สมัครไปยังเครื่องตรวจจับความเป็นประกายของนิวตริโนและสสารมืด เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งมีพลังงานจลน์สูงชนกับฮีเลียม -4 ระดับซูเปอร์ฟลูอิดอะตอมของฮีเลียมจะแตกตัวเป็นไอออนตื่นเต้นและเปล่งแสงเป็นประกาย กระบวนการนี้ค่อนข้างซับซ้อน แต่โดยทั่วไปจำนวนโฟตอนที่ปล่อยออกมาจะเป็นสัดส่วนเชิงเส้นกับพลังงานของอนุภาคที่มีประจุ อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจะมีพลังงานจลน์ในช่วงตั้งแต่ศูนย์ถึง 782 keV จากพลังงานนิวเคลียร์ที่ปล่อยออกมาในการสลายตัวของเบต้า ดังนั้นจำนวนนิวตรอนที่สลายตัวสามารถคำนวณได้จากความถี่การเกิดประกายไฟ
ในระหว่างนี้จำเป็นต้องควบคุมฟลักซ์นิวตรอนลำแสงพัลซิ่ง สิ่งนี้สามารถทำได้โดยใช้ไอโซโทปฮีเลียม -3 ซึ่งจับนิวตรอนแปลงเป็นโปรตอนและไตรตันและปล่อยพลังงาน 764 keV อัตราของเหตุการณ์การจับดังกล่าวเป็นสัดส่วนกับฟลักซ์ของลำแสง เหตุการณ์เหล่านี้แสดงถึงการลดทอนของคอร์ ในทางตรงกันข้ามการสลายตัวคือการบริจาคอิเล็กตรอน ดังนั้นเหตุการณ์การจับภาพและการสลายตัวจึงมีชุดลายเซ็นที่แตกต่างกันในสัญญาณประกายไฟ ในการเรืองแสงทันทีเหตุการณ์การจับภาพจะสร้างโฟตอนต่อหนึ่งหน่วยของการป้อนพลังงานน้อยกว่าเหตุการณ์สลายตัว เหตุการณ์การจับภาพมีช่วงการหยุดสั้นหลายสิบไมครอนในขณะที่เหตุการณ์การสลายตัวมีทางยาวถึง 2 ซม. โดยการเปรียบเทียบอย่างหนึ่งดูเหมือนซูเปอร์โนวาส่วนอีกเหตุการณ์หนึ่งคล้ายดาวตก นอกจากนี้ยังมีพฤติกรรมที่ชัดเจนในอัตราการสลายตัวของการคงอยู่
ความแม่นยำสูงสุด
กุญแจสำคัญในการไขปริศนาอายุการใช้งานของนิวตรอนคือความแม่นยำสูง การทดสอบใหม่จะสมเหตุสมผลก็ต่อเมื่อความแม่นยำสูงถึง 0.1% หรือน้อยกว่า 1 วินาที
แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะลงทะเบียนทั้งหมดเบต้าสลายอิเล็กตรอนเนื่องจากบางตัวมีพลังงานต่ำเกินไปที่จะได้รับแสงแวววาวอย่างเพียงพอ แต่มีทางออก ในแง่หนึ่งเครื่องตรวจจับที่นำเสนอจะให้ความละเอียดตำแหน่งตามแกนลำแสง เฉพาะเหตุการณ์ในพื้นที่ส่วนกลางเท่านั้นที่จะใช้สำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลที่มีความแม่นยำสูง ในทางกลับกันคุณสามารถรวบรวมแสงได้มากที่สุด เครื่องตรวจจับได้รับการออกแบบให้ครอบคลุมมากกว่า 96% ของมุมของแข็งของเหตุการณ์ในภาคกลางเพื่อให้สามารถกู้คืนพลังงานของอิเล็กตรอนที่สลายตัวด้วยเบต้าได้อย่างแม่นยำ เหตุการณ์เหล่านี้จำนวนมากประกอบเป็นสเปกตรัมβสลายตัวที่แน่นอนซึ่งอธิบายได้ดีโดยทฤษฎี Fermi ส่วนล่างของสเปกตรัมอาจขาดหายไปเนื่องจากการสั่นไหวน้อย
นอกจากนี้การปราบปรามเหตุการณ์เบื้องหลังเป็นสิ่งสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับนิวตรอนที่กระจัดกระจาย การไม่มีการกระจายของลำแสงนิวตรอนด้วยฮีเลียม superfluid ถือเป็นการเริ่มต้นที่ดีอยู่แล้ว นิวตรอนปรสิตทั้งหมดที่กระจัดกระจายจากหน้าต่างปริมาตรจะถูกจับโดยตัวดูดซับนิวตรอนรอบ ๆ เครื่องตรวจจับเพื่อลดการกระตุ้นนิวตรอน
เครื่องตรวจจับจะเห็นคอมป์ตันด้วยเหตุการณ์ที่เกิดจากการปล่อยรังสีแกมมาในทันทีระหว่างการจับนิวตรอนที่หน้าต่างทางเข้าและทางออก จะปรากฏเป็นการระเบิดสว่างสองครั้งในลำดับเวลาและสามารถใช้เป็นการอ้างอิงเวลาและความเข้มเพื่อสร้างตำแหน่งของเหตุการณ์สัญญาณปรับเทียบเครื่องตรวจจับและกำหนดลักษณะสเปกตรัมของลำแสง
บรรทัดล่างคืออะไร?
วิธีการใหม่นี้แตกต่างโดยพื้นฐานจากการทดลองลำแสงที่มีอยู่ ไม่ต้องใช้สนามแม่เหล็กแรงสูง มันใช้ลำแสงพัลซิ่งที่มีนิวตรอนพลังงานต่ำกว่ามาก และเครื่องตรวจจับการเปล่งประกายฮีเลียม superfluid นำเสนอชุดเอฟเฟกต์ที่เป็นระบบอย่างชัดเจน แน่นอนว่ามีปัญหาทางเทคนิคมากมายที่ต้องเอาชนะ ในบทความของเขาอธิบายถึงแนวทางใหม่ Wei นักทดลองด้านการศึกษาอนุภาคในฮีเลียม superfluid กล่าวว่าเขามั่นใจว่าในที่สุดแนวคิดใหม่นี้จะช่วยไขปริศนาอายุการใช้งานของนิวตรอนและมอบโอกาสใหม่ ๆ ในการค้นพบฟิสิกส์ใหม่ ๆ
อ่านเพิ่มเติม
พบหลุมดำรูปแบบใหม่ที่ไม่เข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพ
การทำแท้งกับวิทยาศาสตร์: จะเกิดอะไรขึ้นกับเด็กที่จะคลอด
นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาทดแทนทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะไรคือสาระสำคัญของ "ทฤษฎีของทุกสิ่ง"?
ความแม่นยำสูง
สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา
J-PARC - คอมเพล็กซ์ตัวเร่งโปรตอนสำหรับความต้องการของฟิสิกส์พลังงานสูงฟิสิกส์ฮาโทรนิกและนิวตริโนวัสดุศาสตร์ ตั้งอยู่ใกล้กับ Tokai ประเทศญี่ปุ่นซึ่งเป็นโครงการร่วมกันของห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลังงานสูงแห่งชาติ KEK และหน่วยงานด้านพลังงานปรมาณู JAEA
อังสตรอมเป็นหน่วยวัดความยาวแบบไม่เป็นระบบเท่ากับ10⁻¹⁰เมตรได้รับการตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน Anders Angstrom ผู้เสนอในปี พ.ศ.
ผลคอมป์ตัน (ผลคอมป์ตัน,คอมป์ตันกระเจิง) - การกระจายโฟตอนโดยไม่ต่อเนื่องกันโดยไม่เสียค่าใช้จ่ายอิเล็กตรอนความไม่ต่อเนื่องหมายความว่าโฟตอนก่อนและหลังการกระเจิงจะไม่รบกวน ผลกระทบจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงความถี่ของโฟตอนซึ่งส่วนหนึ่งของพลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนหลังจากการกระเจิง
มุมทึบเป็นส่วนหนึ่งของอวกาศซึ่งเป็นจุดรวมของรังสีทั้งหมดที่พุ่งออกมาจากจุดที่กำหนด (ท็อปส์ซูมุม) และตัดกับพื้นผิวบางส่วน (ซึ่งเรียกว่าพื้นผิวตีบกรณีพิเศษของมุมทึบคือมุมสามหน้าและหลายเหลี่ยมขอบเขตของมุมทึบคือพื้นผิวทรงกรวย
คำอธิบายทางทฤษฎีของการสลายตัวของนิวเคลียสเบต้าได้รับการพัฒนาโดยนักฟิสิกส์ Enrico Fermi ซึ่งเป็นผู้แนะนำคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดนั่นคือค่าคงที่ของ Fermi coupling คงที่ GFGF ช่วยในการกำหนดค่าสัมบูรณ์ของอายุการใช้งานของนิวเคลียสที่สัมพันธ์กับการสลายตัวของเบต้า ในขณะเดียวกัน E.
การสลายตัวของเบต้าแบ่งออกเป็นช่วงการเปลี่ยนแบบ Fermi ซึ่งการหมุนของเลปตันขาออกเป็นแบบแอนติพาเรลและประเภท Gamow-Teller ซึ่งการหมุนของเลปตันขาออกจะขนานกัน
อิเล็กตรอนโวลต์เป็นหน่วยพลังงานนอกระบบที่ใช้ในฟิสิกส์อะตอมและนิวเคลียร์ในฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานและในสาขาวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องและเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด