Μετρώντας τα φωτόνια από τη διάσπαση των νετρονίων

Posted on 19/06/2016

0


When a free neutron (green) undergoes a process known as beta decay, it produces a proton (red), an antineutrino (gold) and an electron (blue)–as well as a photon (white). An experiment at NIST measured the range of energies that a given photon produced by beta decay can possess, a range known as its energy spectrum.

Όταν ένα ελεύθερο νετρόνιο (πράσινο) υφίσταται διάσπαση βήτα, παράγεται ένα πρωτόνιο (κόκκινο) , ένα αντινετρίνο (κίτρινο) και ένα ηλεκτρόνιο (μπλε). Όμως είναι δυνατόν να παραχθεί επίσης και φωτόνιο (λευκό) – κάτι που δεν είναι ευρέως γνωστό. Ένα πείραμα στο NIST κατάφερε να μετρήσει τις ενέργειες αυτών των φωτονίων.(Credit: Hanacek/NIST)

Η ραδιενέργεια β ή αλλιώς διάσπαση β σχετίζεται με την μετατροπή ενός νετρονίου σε πρωτόνιο στον πυρήνα του ατόμου, που συνοδεύεται με την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου και ενός αντινετρίνο:

n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu}

Η διάσπαση β είναι μια εκδήλωση της ασθενούς δύναμης, μιας από τις 4 θεμελιώδεις δυνάμεις στο σύμπαν μας.
Το νετρόνιο συνίσταται από τρία κουαρκ, δυο κάτω (d) και ένα πάνω (u) κουάρκ, ενώ το πρωτόνιο από δυο πάνω (u) κουάρκ και ένα κάτω (d). Έτσι, κατά τη διάσπαση β ένα από τα κάτω κουάρκ του νετρονίου μεταπίπτει σε πάνω κουάρκ.

Πως γίνεται αυτή η μετατροπή;

Το κάτω κουάρκ εκπέμπει  ένα σωματίδιο που μοιάζει με φωτόνιο και ονομάζεται μποζόνιο W. Αυτό το σωματίδιο διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο. Το μποζόνιο W ανήκει στην ίδια κατηγορία σωματιδίων με το φωτόνιο και το γλοιόνιο που αποτελούν φορείς αλληλεπιδράσεων. Η διάσπαση β είναι μια αργή διαδικασία, χρειάζεται περισσότερο χρόνο σε σχέση με τις αλληλεπιδράσεις των φωτονίων και ηλεκτρονίων και γι αυτό το μποζόνιο W (φορέας της ασθενούς αλληλεπίδρασης) έχει μεγαλύτερη μάζα σε σχέση με το φωτόνιο (φορέας ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης) ή το γλοιόνιο (φορέας ισχυρής αλληλεπίδρασης).

Διάσπαση βήτα υφίστανται και τα ελεύθερα νετρόνια. Ο χρόνος ζωής ενός ελεύθερου νετρονίου είναι περίπου 15 λεπτά και στη συνέχεια μετατρέπεται σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο.

Όμως, σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων κατά τη διάσπαση ενός ελεύθερου νετρονίου πρέπει να εμφανίζονται επίσης ένα ή περισσότερα φωτόνια, τα οποία είναι ανιχνεύσιμα. Αυτά τα φωτόνια σχετίζονται μάλλον με τα φορτισμένα σωματίδια που παίρνουν μέρος στη διαδικασία, παρά με την ίδια τη διάσπαση βήτα (βλέπε τα διαγράμματα στο τέλος της ανάρτησης).

Σε πείραμα που πραγματοποιήθηκε στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) μετρήθηκε το ενεργειακό φάσμα των φωτονίων που εκπέμπονται κατά τη διάσπαση των ελεύθερων νετρονίων. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε ήταν η ίδια που χρησιμοποιήθηκε σε παλαιότερες μετρήσεις του χρόνου ζωής του νετρονίου με μεγάλη ακρίβεια.

Διαβάστε σχετικά:
1. Η Μεγάλη Έκρηξη και ο χρόνος ζωής του νετρονίου
2. Αποκλίσεις στον χρόνο ζωής του νετρονίου

Η εμφάνιση αυτών των φωτονίων κατά την διάσπαση του νετρονίου προβλέπονταν από την Κβαντική Ηλεκτροδυναμική (QED), αλλά κανείς μέχρι σήμερα δε είχε καταφέρει να τα έχει ελέγξει με μεγάλη ακρίβεια.

Σύμφωνα με τον φυσικό του NIST, Jeff Nico, δεν περιμέναμε να δούμε κάτι ασυνήθιστο, αλλά θέλαμε να ελέγξουμε με μεγάλη ακρίβεια τις προβλέψεις της QED. Τα πειράματα θα επαναληφθούν με σκοπό να μειωθεί η αβεβαιότητα κάτω από το 1%.

Εμφάνιση φωτονίων κατά τη διάσπαση του νετρονίου σύμφωνα με την QED [The Radiative Decay Mode of the Free Neutron]

Εμφάνιση φωτονίων κατά τη διάσπαση του ελεύθερου νετρονίου σύμφωνα με την QED [3]


πηγές:
1.  www.nist.gov, «Physicists measured something new in the radioactive decay of neutrons»
2. arxiv.org, «Precision Measurement of the Radiative β decay of the Free Neutron»
3. Robert L. Cooper, «The Radiative Decay Mode of the Free Neutron»

 

Ετικέτα: ,