Физики измерили продолжительность жизни нейтрона с беспрецедентной точностью
Срочная новость
Открывается прием заявок на конкурс «Снимай науку!»
Открывается прием заявок на конкурс «Снимай науку!»
Shutterstock
Попробуйте хотя бы примерно предположить, сколько может существовать нейтрон.
Физики выяснили с точностью до десятых долей процента, как долго нейтрон может существовать вне ядра атома.
Исследование принято к публикации в Physical Review Letters и доступно на arXiv, коротко о нем рассказывает Science Alert.
«Процесс, посредством которого нейтрон превращается в протон с испусканием легкого электрона и почти безмассового антинейтрино, является одним из самых увлекательных процессов, известных физикам», — поделился один из авторов исследования, физик-ядерщик Дэниел Сальват из Университета Индианы (США).
Эксперимент проводился в Национальном научном центре Лос-Аламоса.
Нейтроны охладили почти до абсолютного нуля и поместили в магнитно-гравитационную ловушку. Магнитное поле предотвращает деполяризацию нейтронов и в сочетании с гравитацией удерживает нейтроны от выхода за пределы ловушки. Такая конструкция позволяет хранить нейтроны до 11 дней.
Исследователи содержали нейтроны в ловушке от 30 до 90 минут, а затем подсчитали количество оставшихся частиц по истечении отведенного времени. Эксперимент был проведен неоднократно, и в общей сложности было учтено более 40 млн нейтронов, что позволило более чем вдвое увеличить точность измерения.
Согласно анализу, продолжительность жизни нейтрона составляет около 877,75 ± 0,28 секунды (14 минут 38 секунд).
После Большого взрыва в самые первые моменты горячая сверхплотная материя, заполнившая Вселенную, охладилась до кварков и электронов. Всего через миллионные доли секунды кварки слились в протоны и нейтроны.
«Понимание точного времени жизни нейтрона может пролить свет на то, как развивалась Вселенная, а также позволить физикам обнаружить недостатки в нашей модели субатомной Вселенной: мы знаем, что эти недостатки существуют, но пока никто не смог их найти», — добавили ученые.
Ученые описали первую микросекунду после Большого взрыва
12 фактов об адронном коллайдере
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации
Физика всего
Остальные теги
Расскажите друзьям
Shutterstock
Новое исследование: переселение человека в космос не так уж неизбежно
От туалетной бумаги до писем «с того света»: что можно получить по подписке
Turkiye Gazetesi
Что за загадочная воронка образовалась в Турции после землетрясения?
NASA/Josh Valcarcel
«Я взяла бы на МКС кошку и мужа»: Анна Кикина рассказала о космическом полете
Midjourney
Неуравновешенность, эгоизм и просто вранье? — Почему не стоит доверять чат-ботам
Хотите быть в курсе последних событий в науке?
Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку
Ваш e-mail
Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных
Время жизни нейтрона измерили с орбиты Луны
Физики измерили время жизни свободного нейтрона, проанализировав данные, собранные аппаратом NASA Lunar Prospector, который изучал поверхность луны с ее орбиты в 1998–1999 годах.
Эти измерения существенно уточнили результат аналогичного эксперимента, в котором космический аппарат MESSENGER того же космического агентства регистрировал нейтроны, выбитые космическими лучами с поверхностей Меркурия и Венеры. Время жизни нейтрона, полученное в результате анализа данных Lunar Prospector, в рамках экспериментальной погрешности совпало с его величиной, найденной с помощью бутылочного метода и метода анализа продуктов бета распада в пучке холодных нейтронов. Работа опубликована в Physical Review C.
Время жизни свободного (то есть не находящегося в атомном ядре) нейтрона важно сразу для нескольких областей физики. Например, от него зависит количество гелия, образующегося на ранних этапах эволюции Вселенной, а также его знание важно для проверки унитарности матрицы Кабиббо — Кобаяши — Маскавы, входящей в лагранжиан Стандартной модели. В рамках этой теории основной процесс, дающий вклад в полную амплитуду распада нейтрона, это его β-распад на протон, электрон и электронное антинейтрино.
С вероятностью примерно в тысячу раз меньшей в конечном состоянии может быть еще и фотон, а в четырех случаях распада из миллиона электрон объединяется с протоном в атом водорода.
Существует два основных экспериментальных метода измерения времени жизни нейтрона: бутылочный и пучковый. Бутылочный метод заключается в запирании холодных нейтронов в некотором объеме с помощью потенциала в форме бутылки. Через некоторое время экспериментаторы считают количество оставшихся нейтронов, и из разницы между начальным и конечным числом нейтронов при учете времени проведения эксперимента находят время жизни нейтрона. При поведении пучкового эксперимента физики измеряют скорость рождения продуктов β-распада в пучке холодных нейтронов, пролетающих через детектор. Проблема заключается в том, что результаты, полученные двумя этими методами, существенно различаются: время жизни, найденное пучковым методом, равно 888±2 секунд, а бутылочный метод дает результат, равный 877,75±0,34 секунд. Это расхождение указывает либо на существование каких-то (1, 2) распадов нейтрона с бранчингом около одного процента, не укладывающихся в Стандартную модель, либо на неучтенные систематические ошибки в одном или обоих классах экспериментов.
Чтобы разрешить это противоречие, которое стало известно как «Загадка времени жизни нейтрона», группа физиков из Великобритании и США под руководством Джека Уилсона (Jack T. Wilson) из Университета Джонса Хопкинса измерила время жизни нейтрона, проанализировав данные, собранные аппаратом Lunar Prospector, который изучал поверхность Луны с близкой к круговой орбиты в течение 18 месяцев, начав в январе 1998 года. Основная задача этого космического аппарата заключалась в нахождении молекул водяного пара на Луне, а также изучении состава вещества у ее поверхности.
Общая идея эксперимента по измерению жизни нейтрона с помощью данных, собранных Lunar Prospector, заключается в следующем. Поверхности небесных тел бомбардируются высокоэнергетичными космическими лучами, которые сталкиваются с ядрами атомов вещества вблизи поверхности, в результате чего в нем образуется много свободных нейтронов. Они термализуются, взаимодействуя с веществом небесного тела, и некоторые из них покидают поверхность, улетая в космос.
Поток этих нейтронов можно вычислить теоретически, зная состав вещества вблизи поверхности небесного тела, а также его температуру. На орбите планеты или спутника движется космический аппарат с детектором нейтронов, который измеряет их поток на орбите. Сравнивая теоретически вычисленный поток нейтронов у поверхности с измеренным потоком на орбите, можно найти число распавшихся по пути нейтронов, вычислив таким образом время их жизни.
Детектор нейтронов, установленный на Lunar Prospector состоял из двух цилиндрических пропорциональных газовых счетчиков, диаметром 5,7 сантиметра и длиной 20 сантиметров, заполненных 3He под давлением 10 атмосфер. Один из них был покрыт 0,63 миллиметра кадмия, очень хорошо поглощающего термальные нейтроны, а второй — 0,63 миллиметра олова, сечение взаимодействия атомов которого с нейтронами гораздо ниже, и почти не влияет на число зарегистрированных детектором нейтронов. Детекторы регистрировали реакцию n + 3He → 3H + 1H.
Счетчики находились на концах стержня, длиной 2,5 метра, чтобы минимизировать вклад космического аппарата в измеренный сигнал. Сам аппарат вращался вокруг своей оси со скоростью 12 оборотов в минуту.
Измерив поток нейтронов на орбите, экспериментаторы вычислили время жизни нейтрона, получив результат 887±14 секунд, который близок к результату как бутылочных, так и пучковых экспериментов. Чтобы увеличить точность измерения, исследователи затем объединили статистику, набранную в этом эксперименте, с той, которую набирал аппарат MESSENGER, изучавший поверхности Меркурия и Венеры, и давшую результат для времени жизни нейтрона, равный 780±60 секунд. Как и Lunar Prospector, MESSENGER был предназначен для изучения состава вещества на поверхности небесных тел, а не для измерения времени жизни нейтрона, а потому точность измерения, основанного на собранных им данных, была очень низкой. Время жизни нейтрона, полученное из анализа объединенной статистики космических экспериментов, оказалось равно 883±17 секунд.
Статистическая погрешность эксперимента была достаточно велика в сравнении с погрешностью, возникающей в лабораторных экспериментах. Это связано с небольшим временем, которое аппарат Lunar Prospector провел на орбите, так как он вообще не был рассчитан на то, что собранные им данные будут использованы в анализе такого типа. Физики считают, что их результат показал способность космических экспериментов по измерению жизни нейтрона дать точность, сопоставимую с лабораторными экспериментами, и что будущие космические эксперименты, специально разработанные для этой цели, помогут разрешить «Загадку времени жизни нейтрона».
Ранее мы писали об эксперименте по обнаружению канала распада нейтрона на частицу темной материи и фотон, который с достоверностью около 97 процентов показал, что такие распады не происходят.
Андрей Фельдман
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
| 1 | Найдите количество нейтронов | Х | |
| 2 | Найдите массу 1 моля | Н_2О | |
| 3 | Баланс | H_2(SO_4)+K(OH)→K_2(SO_4)+H(OH) | |
| 4 | Найдите массу 1 моля | Х | |
| 5 | Найдите количество нейтронов | Fe | |
| 6 | Найдите количество нейтронов | ТК | |
| 7 | Найдите электронную конфигурацию | Х | |
| 8 | Найдите количество нейтронов | Са | |
| 9 | Баланс | CH_4+O_2→H_2O+CO_2 | |
| 10 | Найдите число нейтронов | С | |
| 11 | Найдите количество протонов | Х | |
| 12 | Найдите количество нейтронов | О | |
| 13 | Найдите массу 1 моля | СО_2 | |
| 14 | Баланс | C_8H_18+O_2→CO_2+H_2O | |
| 15 | Найдите атомную массу | Х | |
| 16 | Определить, растворимо ли соединение в воде | Н_2О | |
| 17 | Найдите электронную конфигурацию | Нет | |
| 18 | Найдите массу отдельного атома | Х | |
| 19 | Найдите количество нейтронов | № | |
| 20 | Найдите количество нейтронов | Золото | |
| 21 | Найдите количество нейтронов | Мн | |
| 22 | Найдите количество нейтронов | Ру | |
| 23 | Найдите электронную конфигурацию | О | |
| 24 | Найдите массовые проценты | Н_2О | |
| 25 | Определить, растворимо ли соединение в воде | NaCl | |
| 26 | Найдите эмпирическую/простейшую формулу | Н_2О | |
| 27 | Найти степени окисления | Н_2О | |
| 28 | Найдите электронную конфигурацию | К | |
| 29 | Найдите электронную конфигурацию | Мг | |
| 30 | Найдите электронную конфигурацию | Са | |
| 31 | Найдите количество нейтронов | Рх | |
| 32 | Найдите количество нейтронов | Нет | |
| 33 | Найдите количество нейтронов | Пт | |
| 34 | Найдите количество нейтронов | Быть | Быть |
| 35 | Найдите количество нейтронов | Кр | |
| 36 | Найдите массу 1 моля | Н_2SO_4 | |
| 37 | Найдите массу 1 моля | HCl | |
| 38 | Fe | ||
| 39 | Найдите массу 1 моля | С | |
| 40 | Найдите количество нейтронов | Медь | |
| 41 | Найдите количество нейтронов | С | |
| 42 | Найдите степени окисления | Х | |
| 43 | Баланс | CH_4+O_2→CO_2+H_2O | |
| 44 | Найдите атомную массу | О | |
| 45 | Найдите атомный номер | Х | |
| 46 | Найдите количество нейтронов | Пн | |
| 47 | Найдите количество нейтронов | ОС | |
| 48 | Найдите массу 1 моля | NaOH | |
| 49 | Найдите массу 1 моля | О | |
| 50 | Найдите электронную конфигурацию | Fe | |
| 51 | Найдите электронную конфигурацию | С | |
| 52 | Найдите массовые проценты | NaCl | |
| 53 | Найдите массу 1 моля | К | |
| 54 | Найдите массу отдельного атома | Нет | |
| 55 | Найдите число нейтронов | Н | |
| 56 | Найдите количество нейтронов | Ли | |
| 57 | Найдите количество нейтронов | В | |
| 58 | Найдите количество протонов | № 92О | |
| 60 | Упростить | ч*2р | |
| 61 | Определить, растворимо ли соединение в воде | Х | |
| 62 | Найдите плотность на STP | Н_2О | |
| 63 | Найти степени окисления | NaCl | |
| 64 | Найдите атомную массу | Он | Он |
| 65 | Найдите атомную массу | Мг | |
| 66 | Найдите количество электронов | ||
| 67 | Найдите число электронов | О | |
| 68 | Найдите число электронов | С | |
| 69 | Найдите число нейтронов | Пд | |
| 70 | Найдите количество нейтронов | рт. ст. | |
| 71 | Найдите количество нейтронов | Б | |
| 72 | Найдите массу отдельного атома | Ли | |
| 73 | Найдите эмпирическую формулу | Н=12%, С=54%, N=20 | , , |
| 74 | Найдите количество протонов | Быть | Быть |
| 75 | Найдите массу 1 моля | На | |
| 76 | Найдите электронную конфигурацию | Со | |
| 77 | Найдите электронную конфигурацию | С | |
| 78 | Баланс | C_2H_6+O_2→CO_2+H_2O | |
| 79 | Баланс | Н_2+О_2→Н_2О | |
| 80 | Найдите электронную конфигурацию | Р | |
| 81 | Найдите электронную конфигурацию | Пб | |
| 82 | Найдите электронную конфигурацию | Ал | |
| 83 | Найдите электронную конфигурацию | Ар | |
| 84 | Найдите массу 1 моля | О_2 | |
| 85 | Найдите массу 1 моля | Н_2 | |
| 86 | Найдите количество нейтронов | К | |
| 87 | Найдите количество нейтронов | Р | |
| 88 | Найдите число нейтронов | Мг | |
| 89 | Найдите количество нейтронов | Вт | |
| 90 | Найдите массу отдельного атома | С | |
| 91 | Упростить | н/д+кл | |
| 92 | Определить, растворимо ли соединение в воде | Н_2SO_4 | |
| 93 | Найдите плотность на STP | NaCl | |
| 94 | Найти степени окисления | C_6H_12O_6 | |
| 95 | Найти степени окисления | Нет | |
| 96 | Определить, растворимо ли соединение в воде | C_6H_12O_6 | |
| 97 | Найдите атомную массу | Кл | |
| 98 | Найдите атомную массу | Fe | |
| 99 | Найдите эмпирическую/самую простую формулу | СО_2 | |
| 100 | Найдите количество нейтронов | Мт |
Министерство энергетики объясняет.
.. Нейтроны | Министерство энергетикиУправление Наука
Исследователи использовали нейтроны, чтобы выяснить, как коронавирус, ответственный за COVID-19, использует свои шиповидные белки для связывания с клеточной мембраной и вызывает вирусную инфекцию.
Изображение предоставлено Джилл Хемман, Окриджская национальная лаборатория
Нейтроны вместе с протонами представляют собой субатомные частицы, находящиеся внутри ядра каждого атома. Единственным исключением является водород, ядро которого содержит только один протон. Нейтроны имеют нейтральный электрический заряд (ни отрицательный, ни положительный) и имеют немного большую массу, чем положительно заряженные протоны. «Свободные» нейтроны — это те, которые больше не заключены внутри ядра. Эти свободные нейтроны образуются в результате ядерных процессов деления и синтеза.
Нейтроны являются важным инструментом для исследований в области медицины, материалов и других областях.
Ученые производят нейтроны на исследовательских реакторах и ускорителях частиц. Исследователи проецируют эти нейтроны на образцы материалов. Некоторые нейтроны взаимодействуют напрямую с атомами в образце и «отскакивают» под разными углами, как битки, сталкивающиеся при игре в бильярд. Этот метод называется рассеянием нейтронов. Ученые используют специальные высокоскоростные детекторы для улавливания рассеянных нейтронов и измерения их энергии, скорости и направления. Эта информация помогает исследователям рассчитать свойства материалов, такие как форма и размеры кристаллов и молекул.
Управление науки Министерства энергетики США: Вклад в науку о нейтронах
Исследования, поддерживаемые Управлением науки Министерства энергетики (DOE), Управлением фундаментальных энергетических наук, способствовали прорывным открытиям и измерениям, связанным с нейтронной наукой, даже получившим Нобелевскую премию.
Нейтронные исследования помогли ученым открыть новые состояния материи и увидеть, как материалы ведут себя внутри механизмов.
Нейтронная наука помогла определить способы новых вакцин против вирусов, разработать квантовые материалы и приблизиться к высокотемпературной сверхпроводимости. Нейтронная наука сделала возможными такие разработки, как сотовые телефоны, медицинские сканеры, реактивные двигатели, высокопрочные стали, более безопасные и долговечные батареи, средства для лечения рака и многое другое.
DOE поддерживает несколько важных средств рассеяния нейтронов и визуализации. К ним относятся высокопоточный изотопный реактор и источник нейтронов расщепления в Национальной лаборатории Ок-Ридж и Лос-Аламосский нейтронный научный центр в Лос-Аламосской национальной лаборатории.
Краткие факты
- Впервые нейтрон был открыт в 1932 году.
- Все вокруг нас представляет собой слабый естественный «фон» из свободных нейтронов, созданный космическими лучами, входящими в нашу атмосферу, и естественной радиоактивностью земной коры.
- Нейтроны могут быть неразрушающим методом анализа свойств материалов, то есть они не повреждают материалы во время испытаний, как другие методы.
- Ученые использовали нейтроны для исследования археологических артефактов. Например, исследователи использовали нейтроны для судебно-медицинской экспертизы волос президента Закари Тейлора, чтобы доказать, что он не был отравлен, когда умер в 1850 году.
Ресурсы
- Департамент науки, фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики
- Нейтронные науки в Национальной лаборатории Ок-Ридж
- Исследовательский центр оружейных нейтронов в Лос-Аламосском нейтронном научном центре
- Виртуальные туры по источнику нейтронов расщепления и высокопоточному изотопному реактору
- Научное открытие: двоюродный брат поваренной соли может сделать накопление энергии более быстрым и безопасным
- Научное достижение: даже суперсплавы изнашиваются от стресса
- Изображения нейтронных исследований COVID-19
- Видео: 75-секундная история: рассеяние нейтронов
- Видео: Нейтроны заглядывают в работающий двигатель
- Видео: за кулисами источника нейтронов расщепления — линейный ускоритель
Научные термины могут сбивать с толку.