Загадка времени жизни нейтрона не решается десятилетиями. И это несмотря на то, что нейтрон — фундаментальная часть Вселенной. Рассказываем, почему так происходит и как ситуацию поможет исправить сверхтекучий гелий-4.
Сколько времени живет нейтрон?
Время жизни нейтрона столь фундаментально и важно для понимания Вселенной, что можно логично предположить, что оно давно известно. Однако это не так. Нельзя сказать, что ученые не пытались это выяснить. Десятилетия и сотни измерений высокой точности не дали никакой конкретики. Два принципиально разных типа эксперимента показывали два результата — 879,4 +/- 0,6 секунды бутылочного метода для измерения времени жизни против 888 +/- 2,0 секунды лучевого.
Разница в 8-9 секунд в четыре раза превышает погрешность измерения в две секунды. Шанс, что они согласуются друг с другом, составляет около 60 на 1 млн, что практически невозможно. Эти секунды и составляют загадку времени жизни нейтрона.
Два метода — два результата
Итак, ученые использовали два метода определения жизни нейтрона. Как они работают?
- Метод «бутылки»
В бутылочном методе нейтроны могут быть запечатаны в вакуумной бутылке из нейтронно-безопасного материала или удерживаться магнитными полями и гравитацией. У них чрезвычайно низкая кинетическая энергия и они движутся со скоростью несколько метров в секунду. Их называют ультрахолодными нейтронами (УХН). Физики отделяют нейтроны от ядер атомов, помещают их в бутылку, а затем подсчитывают, сколько их остается там через некоторое время. В результате ученые делают вывод, что нейтроны радиоактивно распадаются в среднем за 14 минут и 39 секунд.
- Метод «луча»
В лучевых экспериментах используются машины, которые создают потоки нейтронов. Ученые измеряют количество нейтронов в определенном объеме пучка. Затем они направляют поток через магнитное поле в ловушку для частиц, образованную электрическим и магнитным полями. Нейтроны распадаются в ловушке, где физики измеряют количество протонов, оставшихся в итоге. В таких экспериментах они определяют среднее время жизни нейтрона на уровне 14 минут 48 секунд.
Результаты
На данный момент существует семь результатов высокоточных бутылочных измерений с различными настройками и только два — лучевых. В обоих измерениях пучка использовался один и тот же метод — ловушка Пеннинга. Продукт распада, протоны, улавливаются ею и подсчитываются хорошо откалиброванным детектором.
Сама по себе ловушка Пеннинга представляет собой устройство, использующее однородное статическое магнитное поле и пространственно неоднородное электрическое поле для хранения заряженных частиц. Этот тип ловушек часто используется при точных измерениях свойств ионов и стабильных субатомных частиц, обладающих электрическим зарядом.
Нет сомнений в том, что для сравнения и проверки требуется больше экспериментов не только с лучом, но и вообще.
Есть ли другие способы?
В лучевом методе физики определяют, сколько нейтронов претерпело бета-распад. Напомним, бета-распад нейтрона — спонтанное превращение свободного нейтрона в протон с излучением β-частицы (электрона) и электронного антинейтрино.
Прецизионные измерения параметров бета-распада нейтрона (время жизни, угловые корреляции между импульсами частиц и спином нейтрона) имеют важное значение для определения свойств слабого взаимодействия. Это фундаментальное взаимодействие, ответственное в частности за процессы бета-распада атомных ядер и слабые распады элементарных частиц, а также нарушения законов сохранения пространственной и комбинированной чётности в них. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики и физики высоких энергий (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного.
Обнаружить антинейтрино сложно. Ведущие в мире детекторы часто бывают гигантскими и нацелены на интенсивный источник потока, такой как Солнце или атомная станция. При этом за год случается лишь несколько событий. Так что антинейтрино тут не поможет.
А что на счет протона? До сих пор все результаты с наилучшей точностью в лучевом методе были получены путем регистрации протонов. Сйчас ведется активная работа по усовершенствованию метода. Например, модернизированный эксперимент BL3 находится в стадии подготовки в NIST, США. Исследователи из J-PARC недавно объявили о своем предварительном результате времени жизни нейтрона путем обнаружения электронов бета-распада с помощью время-проекционной камеры (time projection chamber, TPC). Такие камеры представляет собой комбинацию дрейфовой и пропорциональной камер. Они являются наиболее универсальным инструментом в физике высоких энергий, поскольку позволяют получать трехмерное электронное изображение трека со сравнивым пространственным разрешением по всем трем координатам. Работа японских ученых — это возрождение эксперимента, впервые предложенного Коссаковски и др. в 1989 году. Сейчас они работают над повышением его точности.
После десятилетий усилий можно предположить, что все возможные пути лучевого метода должны быть тщательно исследованы.
Или есть еще варианты?
Время сверхтекучего гелия
Недавно в своей статье «Новый эксперимент по времени жизни нейтрона с распадом пучка холодных нейтронов в сверхтекучем гелии-4», опубликованной в Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics доктор Ваньчунь Вэй предложил новый подход. А именно использовать сверхтекучий сцинтиллятор гелия-4 для обнаружения продукта распада нейтрона — электрона. Автор исследования получил докторскую степень по физике в университете Брауна, США и закончил докторантуру в Национальной лаборатории Лос-Аламоса. Сейчас он работает инженером-исследователем в Радиационной лаборатории Келлогга Калифорнийского технологического института, США (Caltech).
Идея Вэя звучит необычно, и вот почему.
Большинство экспериментов по времени жизни нейтронов проводится в условиях высокого вакуума, чтобы исключить рассеяние нейтронов на частицах газа. Исключением является эксперимент J-PARC, где TPC требуется рабочий газ для усиления заряда бета-распада электрона до обнаруживаемого тока. Для выявления и устранения фоновых событий, вызванных рассеянными нейтронами, необходимо применять сложный анализ.
Новый метод сработает благодаря удивительным свойствам сверхтекучего гелия, квантовой жидкости. Она образует макроскопическую квантовую волновую функцию, и большая ее часть конденсируется в основное состояние. Элементарные возбуждения в квантовой жидкости были предсказаны Ландау в 1947 году и подтверждены неупругим рассеянием нейтронов.
Особенность сверхтекучего гелия-4 состоит в том, что он течет без трения по любой поверхности, протекает через очень мелкие поры, подчиняясь только своей собственной инерции.
Если пропустить пучок нейтронов через газ проблематично, зачем рассматривать жидкость?
Да, нейтроны рассеиваются в сверхтекучем гелии, но только на элементарных возбуждениях. И условие сохранения энергии и количества движения должно быть выполнено. Коэн и Фейнман показали в своей статье, опубликованной в 1957 году, что рассеяние не происходит, если длина волны нейтрона превышает 16,5 ангстрем. Это означает, что нейтроны низкой энергии и длинных волн могут проникать через сверхтекучий гелий-4, как если бы это был вакуум. В свою очередь, это подтверждает предложение о новом пучковом эксперименте со сверхтекучим сцинтиллятором гелия-4.
Сверхтекучий гелий-4 как сцинтиллятор
Первый сцинтилляционный детектор представлял собой экран, покрытый слоем cульфидом цинка (ZnS). Вспышки, возникавшие при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 году провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший к открытию атомного ядра. Начиная с 1944 года световые вспышки от сцинтиллятора регистрируют фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Позже для этих целей стали использовать также фотодиоды.
Сцинтиллятор может быть органическим (кристаллы, пластики или жидкости) или неорганическим (кристаллы или стекла). Используются также газообразные сцинтилляторы.
Сверхтекучий гелий-4 хорошо изучен как кандидат на сцинтилляционный детектор нейтрино и темной материи. Когда заряженные частицы с высокой кинетической энергией сталкиваются со сверхтекучим гелием-4, атомы гелия ионизируются, возбуждаются и излучают сцинтилляционный свет. Процесс довольно сложный, но в целом количество испускаемых фотонов линейно пропорционально энергии заряженной частицы. Отдающийся электрон несет кинетическую энергию в диапазоне от нуля до 782 кэВ из высвобождаемой ядерной энергии в бета-распаде. Таким образом, количество распавшихся нейтронов можно подсчитать по частоте сцинтилляции.
А пока необходимо контролировать нейтронный поток импульсного пучка. Это можно сделать с помощью изотопа гелий-3, который захватывает нейтрон, превращается в протон и тритон и выделяет 764 кэВ энергии. Скорость таких событий захвата пропорциональна потоку пучка. Эти события представляют собой отдачу ядер. Напротив, распад — это отдача электронов. Следовательно, события захвата и затухания имеют различный набор сигнатур в сцинтилляционном сигнале. В мгновенном свечении событие захвата производит намного меньше фотонов на единицу вложенной энергии, чем событие распада. Событие захвата имеет короткий диапазон остановки в десятки микрон, тогда как событие распада имеет длинный след до 2 см. По аналогии один выглядит как сверхновая, а другой — как метеор. Кроме того, они имеют отчетливое поведение в скорости затухания послесвечения.
Предельная точность
Ключом к разгадке загадки времени жизни нейтрона является высокая точность. Новый эксперимент имеет смысл только в том случае, если точность может достигать 0,1% или менее 1 секунды.
Практически невозможно зарегистрировать все электроны бета-распада, потому что часть из них имеет слишком низкую энергию для получения адекватного сцинтилляционного света. Но выход есть. С одной стороны, предлагаемый детектор обеспечит позиционное разрешение по оси пучка. Только события в центральной области будут использоваться для высокоточного анализа данных. С другой стороны, можно собрать как можно больше света. Детектор рассчитан на покрытие более 96% телесного угла событий в центральной области, так что энергия электронов бета-распада может быть точно восстановлена. Большое количество этих событий составляет точный спектр β-распада, который хорошо описывается теорией Ферми. Нижняя часть спектра может отсутствовать из-за слабого мерцания.
Кроме того, важно подавление фоновых событий, особенно связанных с рассеянными нейтронами. Отсутствие рассеяния нейтронного пучка на сверхтекучем гелии — это уже хорошее начало. Все паразитные нейтроны, рассеянные из окон объема, будут захвачены поглотителями нейтронов, окружающими детектор, чтобы минимизировать активацию нейтронов.
Также детектор также будет видеть комптоновские события, вызванные мгновенным испусканием гамма-излучения при захвате нейтронов на входном и выходном окнах. Он будет выглядеть как два ярких всплеска во временной последовательности и может использоваться в качестве эталона времени и интенсивности для восстановления положения событий сигнала, калибровки детектора и характеристики спектра луча.
Что в итоге?
Этот новый метод кардинально отличается от существующих пучковых экспериментов. Не требует сильного магнитного поля. В нем используется импульсный пучок с нейтронами гораздо меньшей энергии. А сцинтилляционный детектор сверхтекучего гелия предлагает четкий набор систематических эффектов. Конечно, предстоит преодолеть множество технических трудностей. В свое статье, рассказывающей о новом подходе, Вэй, экспериментатор в области изучения частиц в сверхтекучем гелии, заявил, что уверен — новая идея в конечном итоге поможет разрешить загадку времени жизни нейтрона и даст новые возможности для открытия новой физики.
Читать далее
Найден новый вид черной дыры, который не вписывается в теорию относительности
Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят
Ученые вывели замену для теории относительности. В чем суть «теории всего»?