Скільки часу живе нейтрон?
Час життя нейтрона настільки фундаментальний і важливий для розуміння
Різниця у 8-9 секунд у чотири рази перевищуєпохибка виміру в дві секунди. Шанс, що вони узгоджуються один з одним, становить близько 60 на 1 млн., що практично неможливо. Ці секунди і становлять загадку життя нейтрона.
Два методу - два результати
Отже, вчені використовували два методи визначення життя нейтрона. Як вони працюють?
- Метод «пляшки»
У темно-зеленому методі нейтрони можуть бутизапечатані в вакуумній пляшці з нейтронно-безпечного матеріалу або утримуватися магнітними полями і гравітацією. У них надзвичайно низька кінетична енергія і вони рухаються зі швидкістю кілька метрів в секунду. Їх називають ультрахолодних нейтронами (УХН). Фізики відокремлюють нейтрони від ядер атомів, поміщають їх в пляшку, а потім підраховують, скільки їх залишається там через деякий час. В результаті вчені роблять висновок, що нейтрони радіоактивно розпадаються в середньому за 14 хвилин і 39 секунд.
- Метод «променя»
У променевих експериментах використовуються машини,які утворюють потоки нейтронів. Вчені вимірюють кількість нейтронів у певному обсязі пучка. Потім вони направляють потік через магнітне поле в пастку для частинок, утворену електричним та магнітним полями. Нейтрони розпадаються у пастці, де фізики вимірюють кількість протонів, що залишилися в результаті. У таких експериментах вони визначають середній час життя нейтрону на рівні 14 хвилин 48 секунд.
результати
На даний момент існує сім результатіввисокоточних пляшкових вимірювань з різними настройками і тільки два - променевих. В обох вимірах пучка використовувався один і той же метод - пастка Пеннінга. Продукт розпаду, протони, уловлюються нею і підраховуються добре відкаліброваним детектором.
Сама по собі пастка Пеннінга представляєсобою пристрій, що використовує однорідне статичне магнітне поле та просторово неоднорідне електричне поле для зберігання заряджених частинок. Цей тип пасток часто використовується при точних вимірах властивостей іонів та стабільних субатомних частинок, що мають електричний заряд.
Немає сумнівів в тому, що для порівняння та перевірки потрібно більше експериментів не тільки з променем, а й взагалі.
Чи є інші способи?
В променевому методі фізики визначають, скількинейтронів зазнало бета-розпаду. Нагадаємо, бета-розпад нейтрону — спонтанне перетворення вільного нейтрону на протон з випромінюванням β-частинки (електрона) та електронного антинейтрино.
Прецизійні вимірювання параметрів бета-розпадунейтрону (час життя, кутові кореляції між імпульсами частинок і спином нейтрону) мають важливе значення для визначення властивостей слабкої взаємодії. Це фундаментальна взаємодія, відповідальна зокрема за процеси бета-розпаду атомних ядер і слабкі розпади елементарних частинок, а також порушення законів збереження просторової та комбінованої парності в них. Ця взаємодія називається слабкою, оскільки дві інші взаємодії, значущі для ядерної фізики та фізики високих енергій (сильна та електромагнітна), характеризуються значно більшою інтенсивністю. Однак воно значно сильніше четвертого з фундаментальних взаємодій, гравітаційного.
Виявити антинейтрино складно.Провідні світові детектори часто бувають гігантськими і націлені на інтенсивне джерело потоку, такий як Сонце або атомна станція. При цьому за рік трапляється лише кілька подій. Так що антинейтрино тут не допоможе.
А що на рахунок протона?До сих пір всі результати з найкращого точністю в променевому методі були отримані шляхом реєстрації протонів. Сйчас ведеться активна робота з удосконалення методу. Наприклад, модернізований експеримент BL3 знаходиться в стадії підготовки в NIST, США. Дослідники з J-PARC недавно оголосили про своє попередньому результаті часу життя нейтрона шляхом виявлення електронів бета-розпаду за допомогою час-проекційної камери (time projection chamber, TPC). Такі камери є комбінацією дрейфовой і пропорційної камер. Вони є найбільш універсальним інструментом в фізиці високих енергій, оскільки дозволяють отримувати тривимірне електронне зображення треку зі порівнюючи просторовим дозволом по всім трьом координатам. Робота японських вчених - це відродження експерименту, вперше запропонованого Коссаковська і ін. В 1989 році. Зараз вони працюють над підвищенням його точності.
Після десятиліть зусиль можна припустити, що всі можливі шляхи променевого методу повинні бути ретельно досліджені.
Або є ще варіанти?
Час сверхтекучего гелію
Нещодавно у своїй статті «Новий експериментза часом життя нейтрону з розпадом пучка холодних нейтронів в надплинному гелії-4», опублікованій в Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics доктор Ваньчунь Вей запропонував новий підхід. А саме використовувати надплинний сцинтилятор гелію-4 для виявлення продукту розпаду нейтрону електрона. Автор дослідження отримав докторський ступінь з фізики в університеті Брауна, США і закінчив докторантуру в Національній лабораторії Лос-Аламоса. Зараз він працює інженером-дослідником в Радіаційній лабораторії Келлогга Каліфорнійського технологічного інституту, США (Caltech).
Експеримент в UNCtau в Лос-Аламосі, що використовує пляшковий метод для вимірювання часу життя нейтрона
Ідея Вея звучить незвично, і ось чому.
Більшість експериментів за часом життянейтронів проводиться в умовах високого вакууму, щоб виключити розсіювання нейтронів на частинках газу. Винятком є експеримент J-PARC, де TPC потрібно робочий газ для посилення заряду бета-розпаду електрона до виявленого струму. Для виявлення і усунення фонових подій, викликаних розсіяними нейтронами, необхідно застосовувати складний аналіз.
Новий метод спрацює завдяки дивнимвластивостями сверхтекучего гелію, квантової рідини. Вона утворює макроскопічну квантову хвильову функцію, і більша її частина конденсується в основний стан. Елементарні збудження в квантової рідини були передбачені Ландау в 1947 році і підтверджені непружним розсіюванням нейтронів.
Особливість сверхтекучего гелію-4 полягає в тому, що він тече без тертя по будь-якій поверхні, протікає через дуже дрібні пори, підкоряючись тільки своїм власним інерції.
Рідкий гелій знаходиться у надплинній фазі.Поки він залишається надплинним, він тонкою плівкою повзе по стінці чашки. Він опускається зовні, утворюючи краплю, яка впаде у рідину внизу. Сформується ще одна крапля — і так доти, доки чашка не стане порожньою
Якщо пропустити пучок нейтронів через газ проблематично, навіщо розглядати рідину?
Так, нейтрони розсіюються в сверхтекучем гелії,але тільки на елементарних возбуждениях. І умова збереження енергії і кількості руху має бути виконано. Коен і Фейнман показали в своїй статті, опублікованій в 1957 році, що розсіювання не відбувається, якщо довжина хвилі нейтрона перевищує 16,5 ангстрем. Це означає, що нейтрони низької енергії і довгих хвиль можуть проникати через надплинний гелій-4, як якщо б це був вакуум. У свою чергу, це підтверджує пропозицію про новий Пучкова експерименті зі надтекучим сцинтилятором гелію-4.
Надтекучий гелій-4 як сцинтилятор
Перший сцинтиляційний детектор представлявсобою екран, покритий шаром cульфідом цинку (ZnS). Спалахи, що виникали при попаданні в нього заряджених частинок, фіксувалися за допомогою мікроскопа. Саме з таким детектором Гейгер і Марсден в 1909 році провели досвід з розсіювання альфа-частинок атомами золота, який призвів до відкриття атомного ядра. Починаючи з 1944 року світлові спалахи від сцинтилятора реєструють фотоелектронними умножителями (ФЕУ). Пізніше для цих цілей стали використовувати також фотодіоди.
Сцинтилятор може бути органічним (кристали, пластики чи рідини) або неорганічним (кристали чи скла). Використовуються також газоподібні сцинтилятори.
Надтекучий гелій-4 добре вивчений як кандидатна сцинтиляційний детектор нейтрино і темної матерії. Коли заряджені частинки з високою кінетичної енергією стикаються зі надтекучим гелієм-4, атоми гелію ионизируются, порушуються і випромінюють сцинтиляційний світло. Процес досить складний, але в цілому кількість що випускаються фотонів лінійно пропорційно енергії зарядженої частинки. Віддається електрон несе кінетичну енергію в діапазоні від нуля до 782 кеВ з вивільненої ядерної енергії в бета-розпаді. Таким чином, кількість розпалися нейтронів можна підрахувати по частоті сцинтиляції.
А поки необхідно контролювати нейтронний потікімпульсного пучка. Це можна зробити за допомогою ізотопу гелій-3, який захоплює нейтрон, перетворюється в протон і тритон і виділяє 764 кеВ енергії. Швидкість таких подій захоплення пропорційна потоку пучка. Ці події є віддачу ядер. Навпаки, розпад - це віддача електронів. Отже, події захоплення і загасання мають різний набір сигнатур в сцинтиляційному сигналі. У миттєвому світінні подія захоплення виробляє набагато менше фотонів на одиницю вкладеної енергії, ніж подія розпаду. Подія захоплення має короткий діапазон зупинки в десятки мікрон, тоді як подія розпаду має довгий слід до 2 см. За аналогією один виглядає як наднова, а інший - як метеор. Крім того, вони мають виразне поведінка в швидкості загасання післясвітіння.
гранична точність
Ключем до розгадки загадки часу життя нейтрона є висока точність. Новий експеримент має сенс тільки в тому випадку, якщо точність може досягати 0,1% або менше 1 секунди.
Практично неможливо зареєструвати всіелектрони бета-розпаду, тому що частина з них має дуже низьку енергію для отримання адекватного сцинтилляционного світла. Але вихід є. З одного боку, пропонований детектор забезпечить позиційне дозвіл по осі пучка. Тільки події в центральній області будуть використовуватися для високоточного аналізу даних. З іншого боку, можна зібрати якомога більше світла. Детектор розрахований на покриття більш 96% тілесного кута подій в центральній області, так що енергія електронів бета-розпаду може бути точно відновлена. Велика кількість цих подій становить точний спектр β-розпаду, який добре описується теорією Фермі. Нижня частина спектра може бути відсутнім через слабке мерехтіння.
Крім того, важливо придушення фонових подій,особливо пов'язаних з розсіяними нейтронами. Відсутність розсіювання нейтронного пучка на сверхтекучем гелії - це вже хороший початок. Все паразитні нейтрони, розсіяні з вікон обсягу, будуть захоплені поглиначами нейтронів, оточуючими детектор, щоб мінімізувати активацію нейтронів.
Також детектор також буде бачити комптоновськіподії, викликані миттєвим випусканням гамма-випромінювання при захопленні нейтронів на вхідному і вихідному вікнах. Він буде виглядати як два яскравих сплеску у часовій послідовності і може використовуватися в якості еталону часу і інтенсивності для відновлення положення подій сигналу, калібрування детектора і характеристики спектра променя.
Що в підсумку?
Цей новий метод кардинально відрізняється відіснуючих пучкових експериментів. Не потребує сильного магнітного поля. У ньому використовується імпульсний пучок з нейтронами набагато меншою енергії. А сцинтиляційний детектор сверхтекучего гелію пропонує чіткий набір систематичних ефектів. Звичайно, доведеться подолати безліч технічних труднощів. У своїй статті, що розповідає про новий підхід, Вей, експериментатор в області вивчення частинок в сверхтекучем гелії, заявив, що впевнений - нова ідея в кінцевому підсумку допоможе вирішити загадку часу життя нейтрона і дасть нові можливості для відкриття нової фізики.
Читати далі
Знайдений новий вид чорної діри, який не вписується в теорію відносності
Аборти і наука: що буде з дітьми, яких народять
Вчені вивели заміну для теорії відносності. У чому суть «теорії всього»?
високоточні
Національний інститут стандартів і технологій США
J-PARC - протонний прискорювальний комплекс дляпотреб фізики високих енергій, адронний і нейтринної фізики, матеріалознавства. Розташований поблизу Токай, Японії, спільний проект національної лабораторії з фізики високих енергій KEK і агентства атомної енергії JAEA.
Ангстрем - позасистемна одиниця вимірювання довжини, рівна 10⁻¹⁰ м. Названа на честь шведського фізика і астронома Андерса Ангстрема, який запропонував її в 1868 році.
Ефект Комптона (Комптон-ефект,комптонівське розсіювання) - некогерентного розсіювання фотонів на вільнихелектронах, некогерентність означає, що фотони до і після розсіювання не інтерферують. Ефект супроводжується зміною частоти фотонів, частина енергії яких після розсіювання передається електронам.
Тілесний кут - частина простору, яка є об'єднанням всіх променів, що виходять з цієї точки (вершиникута) і перетинають деяку поверхню (яка називається поверхнею,стягивающейцей тілесний кут). Приватними випадками тілесного кута є тригранні та багатогранні кути. Кордоном тілесного кута є деяка конічна поверхня.
Теоретичний опис бета-розпаду ядербуло розвинене фізиком Енріко Фермі, який ввів найважливішу характеристику - фермієвського константу взаємодії GFGF. Вона допомагає визначити абсолютну величину часу життя ядер по відношенню до бета-розпаду. Одночасно Е. Фермі обчислив форму бета-спектра електронів розпаду в найпростішому випадку дозволених бета-переходів (т. Н. Фермієвського форма бета-спектра).
Бета-розпади діляться на переходи типу Фермі, при яких спини вилітають лептонів антіпараллельни, і типу Гамова - Теллера, при яких спини вилітають лептонів паралельні.
Електронвольт - позасистемна одиниця енергії, яка використовується в атомній і ядерній фізиці, у фізиці елементарних частинок і в близьких і споріднених областях науки.