Na stopě exotické částice - dineutronu  
Američtí vědci provedli experiment, v němž se uměle vytvořená nestabilní jádra izotopu berylia rozpadala velmi netypickým způsobem, při proměně uvolňovala přechodně existující částice složené ze dvou neutronů – dineutrony.

Zvětšit obrázek
Artemis Spyrou, první autorka studie u cyklotronu Michiganské státní university. Kredit: Michigan State University

Po několik desetiletí se vědci zajímají o výjimečné případy jaderných rozpadů, při nichž se uvolňují do jedné nestabilní částice propojené páry protonů, případně neutronů, takzvané diprotony a dineutrony. Detekovat je ale není lehké. Již začátek si vyžaduje „výrobu“ netypických nestabilních izotopů vhodných prvků s výrazným nedostatkem nebo přebytkem neutronů v jádře v porovnání s jeho stabilní, v přírodě se vyskytující formou. Například před deseti lety fyzikové zjistili, že rozpadovým produktem uměle připraveného nestabilního izotopu železa-45, které má v jádře o devět neutronů méně než stabilní atom 54Fe, je na velmi krátký okamžik spárovaná dvojice protonů – diproton. Podobných náznaků jeho existence bylo více, detekci však komplikuje elektrický náboj protonů, jenž je navzájem odpuzuje, a tím způsobuje v podstatě okamžitý rozpad diprotonu a ovlivňuje následný rozptyl osamostatněných částic. Důsledkem jsou nejistoty a nejednoznačnosti v analýzách.

Zvětšit obrázek
V Národní supravodičové cyklotronové laboratoři Michganské státní univerzity fyzikové „stvořili“ o neutrony obohacená jádra nestabilního izotopu 16Be ve srážkách proudu jader izotopu boru-17 s jádry 9Be v terčíku v nákresu označeném zelenou barvou. Vzniklá jádra 16Be se vzápětí rozpadla na 14Be, které je o málo stabilnější a jehož kladná jádra magnet (označen červeně) odklonil do detektoru (hnědý), zatímco neutrální neutronové páry letěly přímo do sestavy neutronových detektorů MoNA (Modular Neutron Array – zeleně). Kredit: T. Baumann/Michigan State University

U dineutronů komplikaci představuje již samotný zdroj. Není totiž jednoduché atomové jádro obohatit o větší počet neutronů. První náznaky existence dineutronů byly nepřímé a poskytly je experimenty s izotopy helia-6 a helia-8, jejichž jádra jsou vůči nejběžnějšímu heliu-4 se dvěma neutrony těžší o 2, respektive 4 tyto částice. Vědci zjistili, že v případě takových nadbytků vznikají jakési spárované „valenční“ neutrony obíhající střed jádra a tvoří jakési neutronové halo. Částečně tak připomínají dvojice elektronů na jednotlivých elektronových orbitalech atomu, nebo elektronové páry vznikající v supravodičích.

 

Mnohem přesvědčivější důkaz existence dineutronů však přináší jejich přímá detekce mezi produkty radioaktivního rozpadu. Právě to se podařilo osmnáctičlennému týmu amerických fyziků, kteří o výsledcích svých experimentů referují v časopisu Physical Review Letters.

 

Ne každé o neutrony obohacené atomové jádro nabízí možnost dineutron ulovit. Například v rozpadech uměle připravených izotopů vodíku-5 se čtyřmi neutrony nebo helia-10 s osmi se dineutrony nenacházely. "Pokud jádro může emitovat samostatné neutrony, bude se tak chovat,“ vysvětluje první autorka publikace, mladá fyzička Artemis Spyrou z Michiganské státní univerzity v East Lansing. Jí a jejím kolegům se ale podařilo vytvořit jádro izotopu  berylia-16 se dvanácti neutrony, které se při proměně na berylium-14 zbavuje hledané neutronové dvojice.

Zvětšit obrázek
Grafické znázornění tří scénářů rozpadu jader 16Be. Na horním obrázku jsou dvě po sobě následující emise jednoho neutronu, což je ale z energetického hlediska nepřípustná varianta, mezistupeň - 15Be je nestabilnější než 16Be. Uvolnění dvou navzájem nezávislých neutronů současně (případ na spodním obrázku označen 3-Body) se projeví zejména v chaotičtějších úhlech rozptylu, než v když z jádra vyletí přechodně existující pár neutronů – dineutron. Tyto rozdíly umožňují porovnat teoretické modely s naměřenými daty. Kredit: Michigan State University

Napěchovat neutrony do jádra není vůbec jednoduché, v přírodě jediná stabilní forma berylia jich má jenom pět, u 16Be bychom napočítali o sedm více. Fyzikové pro produkci tohoto exotického izotopu využili Národní supravodičovou cyklotronovou laboratoř Michiganské státní univerzity, kde nejdřív namířili proud urychlených jader neonu do terčíku ze stabilního „běžného“ izotopu 9Be. Ve srážkach vzniklá jádra nestabilního boru-17 s dvanácti neutrony (stabilní izotopy boru jich mají 5 nebo 6) pak opět nasměřovali do beryliového terčíku. V některých případech kolize vybodyčekovala jeden proton z jádra boru, čímž jej proměnila na kýžené jádro berylia-16. To se v mžiku trvajícím asi zeptosekundu, tedy triliardtinu sekundy, rozpadlo na jiný nestabilní izotop berylia-14 a dineutron.

 

Protože i jediný neutron může v detektorové soustavě vyvolat dva záblesky, Spyrou se rozhodla vyloučit všechny případy, v nichž se dvojice pulzů vyskytly podezřele blízko sebe. V těch nejdůvěryhodnějších případech vědci určili energie produktů rozpadu 16Be - jádra berylia-14 i obou neutronů uvolněných z dineutronu. U těchto neutrálních nukleonů určovali i důležité úhly rozptylu, které jsou pro detekci exotického dineutronu klíčové. Vědci pak získaná data porovnali s počítačovými simulacemi tří možných scénářů. Ten první modeloval případ dvou těsně po sobě následujících rozpadů, při kterých se uvolnil vždy jen jeden neutron. Druhý pak uvažoval se dvěma neutrony vyzářenými v stejném okamžiku, ale bez vzájemné prostorové závislosti. A třetí scénář popisoval rozpad, při němž byl emitován dineutron - dvojice neutronů, která se vzápětí, v průběhu asi 10-22 sekundy rozešla ve dvě singl-částice. Jejich krátkodobé společné „soužití“ však vtisklo pečeť do jejich energií i úhlů rozptylu, jež pak nejsou náhodné. Nejlepší shoda s pozorovanými parametry se dosáhla právě u třetího modelu. Artemis Spyrou a její kolegové jsou proto přesvědčeni, že výsledky jejich experimentů přinášejí přímý důkaz prchavé existence dineutronů. I když reálný stav neutronů dočasně vázaných do těchto exotických částic je pravděpodobně složitější, než současné modely předpokládají, další výzkum je cestou k lepšímu pochopení procesů probíhajících v neutronových hvězdách nebo při explozích supernov, kdy v hroutícím se srdci vybuchující hvězdy dochází k syntéze těžkých jader.

 

Zdroje:  Physics , Phys. Rev. Lett.

Datum: 14.04.2012 06:45
Tisk článku

Jádro -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 290 Kč
cena: 258 Kč
Jádro


Diskuze:

pán Wágner

Maroš Štulajter,2012-04-15 14:35:24

chcel by som sa opýtať ako je to s tými hodnotami pre rýchlosť. označená rýchlosť c je 3x10^8m/s^2 a doba životnosti dineuterónu je 1,3x10^22 s kde je zrejme chyba pri písaní textu.

Odpovědět


Korecia

Rudolf Dovičín,2012-04-15 16:00:59

6x10^-15 m / 0,15c = 6x10^-15 m / (0,15x 3x10^8 m/s) = 1,3x10^-22 s

Odpovědět

A poslední pro znalejší

Vladimír Wagner,2012-04-14 18:42:53

Pokud se vezme heisenbergův princip neurčitosti a neurčitost (rozmazání) hodnoty energie, které spočteme z uváděné doby života 10^-22, dostáváme rozmazání, které přesahuje kinetickou energii vyzářeného "dineutronu", což také ukazuje, že nejde o emisi vázaného systému, ale korelovanou emisi volných neutronů.

Odpovědět

Ještě jeden náznak, že nejde emisi vázaného stavu

Vladimír Wagner,2012-04-14 18:20:59

V článku se uvádí, že rozpad nastává po 10^-22 s. Je třeba si uvědomit, že poloměr protonu je v řádu 10^-15 m. Poloměr jádra berylia 16 je větší než 3x10^-15 m. Ty halo jádra s velmi slabě vázanými valenčními nukleony jsou dost větší než normální (až třeba dvojnásobně). Kinetická energie spojená s tzv. Fermiho pohybem nukleonů v jádře je zhruba okolo 10 MeV, takže se pohybují zhruba rychlostí okolo 15 procent rychlosti světla. Takže, když spočítáme, za jak dlouho proletí ten neutron (dvojice neutronů) jádrem, tak je to 6x10^-15 m/0,15c kde c je rychlost světla (ta je 3x10^8 m/s^2), dostaneme 1,3x10^22 s. Takže doba uváděná jako doba života dineutronu nestačí ani k tomu, aby jádro opustil. V principu je srovnatelná s dobou, za kterou proletí dráhu srovnatelnou s jeho velikostí. Takže v daném případě je využívání pojmu dineutron pro tento případ (je to i v originální práci) a jeho označení jako exotické částice dost zavádějící. Pravděpodobně nejde o vázaný systém, který by mohl existovat mimo jádro a jde spíše o korelovanou emisi z jádra dané korelacemi vznikajícími pouze u dvojic neutronů vázaných v jádře.

Odpovědět


Diprotony a dineutrony

Václav Malý,2012-04-15 20:06:21

Pane doktore Wagnere, kdyby si pohledná Artemis přečetla něco ze Sokratova KMV, už by věděla, že neexistence v přírodě monoprotonových, nebo mononeutronových jader, čehož si dosud fyzici zřejmě nevšimli, jen potvrzuje neexistencí t.zv. 'sil jaderné vazby' mezi nukleony stejného druhu; t.j. mezi samotnými protony, nebo mezi samotnými neutrony(i když např. V.I.Rydnik tvrdí opak). ‚Jaderné síly‘ se objevují jen uvnitř subkritického objemu shora omezeného souboru OBOU druhů nukleonů; nejlépe v poměru 1:1, nebo tomuto poměru blízkému. Jen tam vzniká, podle Sokrata, „jaderná“ P-N afinita. Její nasycenost a krátkodosahovost je způsobena charakterem „kontaktní“ paritní interakce mezi sousedními P-N složkami. Prostě, „elementární částici“ diproton, nebo dineutron viděti jen jako následek nemírného pití. :-)

Odpovědět

Je otázkou, zda jde o dineutron.

Vladimír Wagner,2012-04-14 13:26:17

Je otázkou, zda se dá v daném případě mluvit o dineutronu, tedy alespoň krátce žijícím vázaném stavu dvou neutronů ve vakuu. To, co se pozoruje, je korelovaná emise dvou neutronů. Při tomto rozpadu, který z energetického hlediska neumožňuje rozpad s výletem jednoho neutronu, musí vždy vyletět dva neutrony (tedy časová korelace). Zároveň je známou vlastností, že v jádře vytvářejí nukleony korelované páry. Takže je dost pravděpodobné, že dva neutrony mimo jádro žádný vázaný stav nemohou vytvořit. Je to stejné jako s páry elektronů v pevné látce. Tam dochází k jejich korelovanému chování, ale neexistuje nějaký dielektron, který by byl vázaným stavem dvou elektronů mimo pevnou látku se specifickými vlastnostmi. To, jestli dva neutrony mohou dineutron (vázaný systém neutronů vytvořit) je zajímavá otázka, jejíž řešení by přineslo moc zajímavé a důležité informace o spinové závislosti jaderných sil. To, že existuje deuteron a ne dineutron je právě dáno tím, že jaderné síly jsou pro dva nukleony se stejnou orientací projekce spinu silně přitažlivé (proto má deuteron spin 1) a pro opačnou orientaci je to s tou přitažlivostí špatné (dineutron nemůže mít díky Pauliho vylučovacímu principu stejnou orientaci spinu pro oba neutrony - jeho spin by musel být 0).

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace