Bir nötron ne kadar yaşar?
Nötron ömrü anlaşılması o kadar temel ve önemlidir ki
8-9 saniyelik fark dört kat daha fazlaiki saniyelik ölçüm hatası. Birbirleriyle aynı fikirde olma ihtimalleri 1 milyonda 60 civarındadır ki bu neredeyse imkânsızdır. Bu saniyeler nötronun ömrünün gizemini oluşturuyor.
İki yöntem, iki sonuç
Bu nedenle, bilim adamları bir nötronun ömrünü belirlemek için iki yöntem kullandılar. Nasıl çalışırlar?
- Şişe yöntemi
Şişe yönteminde nötronlar olabilirnötron korumalı malzemeden yapılmış veya manyetik alanlar ve yerçekimi tarafından tutulan vakumlu bir şişeye kapatılmıştır. Son derece düşük kinetik enerjiye sahiptirler ve saniyede birkaç metre hızla hareket ederler. Bunlara ultra soğuk nötronlar (UCN'ler) denir. Fizikçiler nötronları atomların çekirdeklerinden ayırır, bir şişeye koyar ve bir süre sonra kaçının orada kaldığını sayarlar. Sonuç olarak bilim adamları, nötronların ortalama 14 dakika 39 saniyede radyoaktif olarak bozunduğu sonucuna varmışlardır.
- Ray yöntemi
Radyasyon deneylerinde makineler kullanılıyornötron akıları yaratan. Bilim adamları ışının belirli bir hacmindeki nötron sayısını ölçer. Daha sonra akışı bir manyetik alan aracılığıyla elektrik ve manyetik alanların oluşturduğu bir parçacık tuzağına yönlendirirler. Nötronlar, fizikçilerin kalan proton sayısını ölçtüğü bir tuzakta bozunuyor. Bu tür deneylerde ortalama nötron ömrünü 14 dakika 48 saniye olarak belirliyorlar.
sonuçlar
Şimdiye kadar yedi sonuç varfarklı ayarlarla yüksek hassasiyetli şişe ölçümleri ve yalnızca iki ışın ölçümü. Her iki ışın ölçümünde de aynı yöntem kullanıldı - Penning tuzağı. Bozunma ürünü, protonlar, onun tarafından yakalanır ve iyi kalibre edilmiş bir detektör tarafından sayılır.
Penning tuzağının kendisi temsil ediyoryüklü parçacıkları depolamak için düzgün bir statik manyetik alan ve uzaysal olarak homojen olmayan bir elektrik alanı kullanan bir cihazdır. Bu tür tuzaklar genellikle iyonların ve elektrik yüküne sahip kararlı atom altı parçacıkların özelliklerinin hassas ölçümlerini yapmak için kullanılır.
Hiç şüphe yok ki, sadece ışınla değil, genel olarak karşılaştırma ve doğrulama için daha fazla deney gereklidir.
Başka yollar var mı?
Işın yönteminde fizikçiler ne kadar olduğunu belirlernötronlar beta bozunmasına uğrar. Nötron beta bozunmasının, serbest bir nötronun, bir β parçacığı (elektron) ve bir elektron antinötrinosunun emisyonu ile kendiliğinden protona dönüşümü olduğunu hatırlayalım.
Beta bozunma parametrelerinin hassas ölçümlerinötron (ömür boyu, parçacık momentumu ve nötron dönüşü arasındaki açısal korelasyonlar), zayıf etkileşimin özelliklerini belirlemek için önemlidir. Bu, özellikle atom çekirdeğinin beta bozunması ve temel parçacıkların zayıf bozunması süreçlerinden ve ayrıca bunlardaki mekansal ve birleşik paritenin korunumu yasalarının ihlallerinden sorumlu olan temel bir etkileşimdir. Bu etkileşime zayıf denir, çünkü nükleer fizik ve yüksek enerji fiziği için önemli olan diğer iki etkileşim (güçlü ve elektromanyetik) çok daha büyük yoğunlukla karakterize edilir. Ancak temel etkileşimlerin dördüncüsü olan yerçekiminden çok daha güçlüdür.
Antineutrino tespiti zordur.Dünyanın önde gelen dedektörleri genellikle devasa büyüklüktedir ve Güneş veya nükleer santral gibi yoğun bir akış kaynağını hedef alır. Ancak bir yılda sadece birkaç olay olur. Yani antineutrino burada yardımcı olmayacak.
Proton ne olacak?Şimdiye kadar, ışın yönteminde en iyi doğrulukta tüm sonuçlar protonların kaydedilmesiyle elde edilmiştir. Şimdi yöntemi iyileştirmek için aktif çalışma devam ediyor. Örneğin, modernize edilmiş bir BL3 deneyi NIST, ABD'de hazırlık aşamasındadır. J-PARC'daki araştırmacılar geçtiğimiz günlerde, bir zaman projeksiyon odası (TPC) kullanarak beta bozunma elektronlarını tespit ederek ön nötron yaşam süresi sonuçlarını açıkladılar. Bu tür odalar, sürüklenme ve orantılı odacıkların bir kombinasyonudur. Yüksek enerji fiziğindeki en çok yönlü enstrümanlardır, çünkü üç koordinatın hepsinde karşılaştırılabilir bir uzaysal çözünürlüğe sahip bir izin üç boyutlu elektronik görüntüsünü elde etmelerine izin verirler. Japon bilim adamlarının çalışması, ilk olarak Kossakowski ve arkadaşları tarafından 1989'da önerilen bir deneyin yeniden canlandırılmasıdır. Şimdi doğruluğunu artırmak için çalışıyorlar.
On yıllarca süren çabanın ardından, ışın yönteminin tüm olası yollarının dikkatlice araştırılması gerektiği varsayılabilir.
Yoksa daha fazla seçenek var mı?
Süperakışkan helyum zamanı
Son zamanlarda “Yeni deney” başlıklı makalesindeJournal of Physics G: Nuclear and Particle Physics dergisinde yayınlanan "Süper akışkan helyum-4'teki soğuk nötron ışınının bozunması ile bir nötronun ömrü hakkında" bir araştırma yapan Dr. Wanchun Wei, yeni bir yaklaşım önerdi. Yani, bir nötronun (bir elektronun) bozunum ürününü tespit etmek için süperakışkan bir helyum-4 sintilatörü kullanmak. Araştırmanın yazarı fizik alanında doktora derecesini ABD'deki Brown Üniversitesi'nden almış ve doktora sonrası araştırmasını Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda tamamlamıştır. Halen ABD Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü (Caltech) Kellogg Radyasyon Laboratuvarı'nda araştırma mühendisi olarak çalışmaktadır.
Los Alamos'ta UNCtau'da nötron ömrünü ölçmek için şişe yöntemini kullanarak deney yapın
Wei'nin fikri sıra dışı geliyor ve işte nedeni.
Yaşam boyu deneylerin çoğunötronlar, gaz parçacıkları üzerindeki nötron saçılımını önlemek için yüksek vakum koşulları altında gerçekleştirilir. Bunun bir istisnası, TPC'nin bir elektronun beta bozunma yükünü tespit edilebilir bir akıma yükseltmek için çalışan bir gaz gerektirdiği J-PARC deneyidir. Dağınık nötronların neden olduğu arka plan olaylarını belirlemek ve ortadan kaldırmak için gelişmiş analiz gereklidir.
Şaşırtıcı sayesinde yeni yöntem işe yarayacaksüperakışkan helyumun özellikleri, kuantum sıvısı. Makroskopik bir kuantum dalga fonksiyonu oluşturur ve çoğu temel duruma yoğunlaşır. Bir kuantum sıvısındaki temel uyarımlar, 1947'de Landau tarafından tahmin edildi ve esnek olmayan nötron saçılmasıyla doğrulandı.
Süperakışkan helyum-4'ün özelliği, herhangi bir yüzey üzerinde sürtünme olmadan akması, çok küçük gözeneklerden akması ve sadece kendi ataletine uymasıdır.
Sıvı helyum süperakışkan fazdadır.Aşırı akışkan kalırken, ince bir film halinde bardağın duvarı boyunca sürünür. Dışarıdan aşağı inerek aşağıdaki sıvıya düşecek bir damla oluşturur. Başka bir damla — ve bu şekilde bardak boşalana kadar
Bir nötron ışınının bir gazdan geçirilmesi sorunluysa, neden bir sıvı düşünelim?
Evet, nötronlar süperakışkan helyuma dağılmış durumda.ama sadece temel heyecanlarda. Ve enerjinin ve momentumun korunumu koşulu karşılanmalıdır. Cohen ve Feynman, 1957'de yayınladıkları makalelerinde, nötron dalga boyu 16,5 angstromu aşarsa saçılmanın meydana gelmediğini gösterdi. Bu, düşük enerjili, uzun dalga boylu nötronların süperakışkan helyum-4'ün içinden bir vakummuş gibi geçebileceği anlamına gelir. Bu da, süperakışkan bir helyum-4 sintilatör ile yeni bir ışın deneyi önerisini doğrular.
Sintilatör olarak süperakışkan helyum-4
İlk sintilasyon detektörübir çinko sülfit (ZnS) tabakası ile kaplı bir ekran. Yüklü parçacıklar çarptığında oluşan flaşlar bir mikroskop kullanılarak kaydedildi. Böyle bir dedektörle Geiger ve Marsden, 1909'da alfa parçacıklarının altın atomları tarafından saçılması üzerine bir deney yaptı ve bu da atom çekirdeğinin keşfine yol açtı. 1944'ten beri sintilatörden gelen ışık flaşları, fotomultiplier tüpler (PMT'ler) tarafından kaydedilmektedir. Daha sonra bu amaçlar için fotodiyotlar da kullanıldı.
Sintilatör organik (kristaller, plastikler veya sıvılar) veya inorganik (kristaller veya camlar) olabilir. Gazlı sintilatörler de kullanılır.
Süperakışkan helyum-4 bir aday olarak iyi çalışılmıştırnötrinoların ve karanlık maddenin sintilasyon detektörüne. Yüksek kinetik enerjiye sahip yüklü parçacıklar süperakışkan helyum-4 ile çarpıştığında, helyum atomları iyonlaşır, uyarılır ve sintilasyon ışığı yayar. Süreç oldukça karmaşıktır, ancak genel olarak, yayılan fotonların sayısı yüklü parçacığın enerjisiyle doğrusal orantılıdır. Açığa çıkan elektron, beta bozunumunda açığa çıkan nükleer enerjiden sıfır ila 782 keV aralığında kinetik enerji taşır. Böylece bozulmuş nötronların sayısı sintilasyon frekansından hesaplanabilir.
Bu arada nötron akısını kontrol etmek gerekiyor.darbeli ışın. Bu, bir nötron yakalayan, bir protona ve bir tritona dönüşen ve 764 keV enerji açığa çıkaran izotop helyum-3 ile yapılabilir. Bu tür yakalama olaylarının oranı, ışın akısı ile orantılıdır. Bu olaylar çekirdeklerin geri tepmesini temsil eder. Aksine, bozunma elektronların bağışlanmasıdır. Bu nedenle, yakalama ve bozunma olayları, sintilasyon sinyalinde farklı imzalara sahiptir. Anlık bir parlamada, bir yakalama olayı, bir bozunma olayına göre enerji girişi birimi başına çok daha az foton üretir. Yakalama olayı onlarca mikronluk kısa bir durma menziline sahipken, bozunma olayının 2 cm'ye kadar uzun bir izi var Benzetme ile biri süpernovaya, diğeri ise meteor gibi görünüyor. Ayrıca kalıcılığın bozulma oranında belirgin bir davranışa sahiptirler.
Üstün doğruluk
Nötron yaşam süresinin gizemini çözmenin anahtarı yüksek doğruluktur. Yeni deney, yalnızca doğruluk% 0,1'e veya 1 saniyenin altına ulaşabiliyorsa anlamlıdır.
Hepsini kaydetmek neredeyse imkansızbeta bozunma elektronları, çünkü bazılarının yeterli sintilasyon ışığı elde etmek için çok düşük bir enerjisi vardır. Ama bir çıkış yolu var. Bir yandan önerilen detektör, ışın ekseni boyunca konumsal çözünürlük sağlayacaktır. Yüksek doğrulukta veri analizi için yalnızca merkezi alandaki olaylar kullanılacaktır. Öte yandan, olabildiğince fazla ışık toplayabilirsiniz. Detektör, merkezi bölgedeki katı olay açısının% 96'sından fazlasını kapsayacak şekilde tasarlanmıştır, böylece beta bozunma elektronlarının enerjisi doğru bir şekilde geri kazanılabilir. Bu olayların büyük bir kısmı, Fermi teorisi tarafından iyi tanımlanmış olan tam β-bozunma spektrumunu oluşturur. Düşük titreşim nedeniyle spektrumun alt kısmı eksik olabilir.
Ek olarak, arka plan olaylarının bastırılması önemlidirözellikle dağınık nötronlarla ilgilidir. Bir nötron ışınının süperakışkan helyum tarafından saçılmasının olmaması zaten iyi bir başlangıçtır. Hacim pencerelerinden saçılan tüm parazitik nötronlar, nötron aktivasyonunu en aza indirmek için detektörü çevreleyen nötron emiciler tarafından yakalanacaktır.
Detektör ayrıca Compton'ı da görecekgiriş ve çıkış pencerelerinde nötronların yakalanması sırasında anlık gama radyasyonu yayılımının neden olduğu olaylar. Bir zaman dizisinde iki parlak patlama olarak görünecektir ve sinyal olaylarının konumunu yeniden yapılandırmak, detektörü kalibre etmek ve ışının spektrumunu karakterize etmek için bir zaman ve yoğunluk referansı olarak kullanılabilir.
Sonuç nedir?
Bu yeni yöntem temelde aşağıdakilerden farklıdır:mevcut kiriş deneyleri. Güçlü bir manyetik alan gerektirmez. Çok daha düşük enerjili nötronlara sahip darbeli bir ışın kullanır. Üstelik süper akışkan helyum sintilasyon detektörü, net bir sistematik etki seti sunar. Elbette üstesinden gelinmesi gereken birçok teknik zorluk var. Yeni yaklaşımı anlatan makalesinde, süperakışkan helyumdaki parçacıkların çalışmasında deneyci olan Wei, yeni fikrin nihayetinde nötron yaşamının gizemini çözmeye yardımcı olacağından ve yeni fizik keşfetmek için yeni fırsatlar sağlayacağından emin olduğunu söyledi.
Daha fazla oku
Görelilik teorisine uymayan yeni bir tür kara delik buldu
Kürtaj ve bilim: doğum yapacak çocuklara ne olacak
Bilim adamları, görelilik teorisinin yerini alacak bir şey geliştirdiler. "Her şeyin teorisi" nin özü nedir?
Yüksek hassasiyet
ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü
J-PARC - için proton hızlandırıcı kompleksiyüksek enerji fiziğinin ihtiyaçları, hadronik ve nötrino fiziği, malzeme bilimi. Japonya'nın Tokai yakınlarında, KEK Ulusal Yüksek Enerji Fiziği Laboratuvarı ve JAEA atom enerjisi ajansının ortak bir projesi.
Angstrom, 10⁻¹⁰ m'ye eşit sistemik olmayan bir uzunluk ölçü birimidir. Adını 1868'de öneren İsveçli fizikçi ve astronom Anders Angstrom'dan almıştır.
Compton etkisi (Compton etkisi,Compton saçılması) - fotonların ücretsiz olarak tutarsız saçılmasıelektronlar, uyumsuzluk, saçılmadan önceki ve sonraki fotonların karışmaması anlamına gelir. Etkiye, enerjisinin bir kısmı saçıldıktan sonra elektronlara aktarılan fotonların frekansındaki bir değişiklik eşlik eder.
Katı açı, belirli bir noktadan yayılan tüm ışınların birleşimi olan uzayın bir parçasıdır (üstleraçı) ve bir yüzeyle kesişen (buna yüzey denir,daraltıcıkatı açı verildiğinde). Katı açıların özel durumları üç yüzlü ve çok yüzlü açılardır. Katı bir açının sınırı belirli bir konik yüzeydir.
Çekirdeklerin beta bozunmasının teorik açıklamasıen önemli özelliği - Fermi eşleştirme sabiti GFGF'yi - sunan fizikçi Enrico Fermi tarafından geliştirilmiştir. Beta bozunması ile ilgili olarak çekirdeklerin yaşam süresinin mutlak değerini belirlemeye yardımcı olur. Eş zamanlı olarak E. Fermi, izin verilen en basit beta geçişlerinde (beta spektrumunun Fermi formu) bozunma elektronlarının beta spektrumunun şeklini hesapladı.
Beta bozunmaları, giden leptonların dönüşlerinin antiparalel olduğu Fermi tipi geçişlere ve giden lepton dönüşlerinin paralel olduğu Gamow-Teller tipine bölünmüştür.
Bir elektron volt, atomik ve nükleer fizikte, temel parçacık fiziğinde ve yakından ilişkili ve ilgili bilim alanlarında kullanılan sistem dışı bir enerji birimidir.