| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Co skrývá neutron?
Petr Kulhánek
NeutronNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. objevil James Chadwick v roce 1932 jako v pořadí čtvrtou elementární částici (po elektronuElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932., fotonuFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. a protonuProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.). Chadwick ostřeloval berylium alfa částicemi (jádry hélia). Ty se integrovaly do atomových jader, čímž vznikla jádra uhlíku a neutrony (9Be + 4He → 12C + 1n). Většina našich znalostí o neutronech pochází ze špičkových vědeckých pracovišť. Hodnoty různých parametrů, které najdete v tabulkách, byly většinou naměřeny v unikátní laboratoři – v Institutu Laueho a Langevina ve francouzském Grenoblu, kde je zdrojem neutronů experimentální jaderný reaktor využívající vysoce obohacené palivo a produkující tepelný výkon 58,3 MW. Z reaktoru vychází každým centimetrem čtverečním 1,5×1015 neutronů za sekundu. Neutrony vychlazené na teplotu blízkou absolutní nule jsou pak vedeny s pomocí neutronovodů k několika desítkám experimentů. Neutron nemá elektrický náboj, a přesto má nenulový magnetický moment. To je dáno spinemSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. kvarkůKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce., z nichž se skládá. Každý kvark uvnitř je vlastně elementárním magnetem. Neutron vázaný v atomovém jádře je stabilní částicí, naopak volný neutron je nestabilní a má střední dobu života o něco málo kratší než 15 minut (poločas rozpadu, který se liší faktorem 21/2, je kolem 10 minut). Experimentální i teoretické studium tohoto rozpadu nám umožňuje lépe pochopit vlastnosti dvou klíčových interakcí v přírodě – slabéSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W+, W− a Z0 se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD). a silnéSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD)..
Neutron patří mezi baryony složené ze tří kvarků. Červená plocha znázorňuje vazební energii, v místě baryonu je záporná. Šipky odpovídají intenzitě gluonového pole, které je v animaci znázorněné jako jakýsi podivný zelený sliz mezi kvarky. Zdroj: Derek Leinweber/CSSM/Adelaide University.
|
Neutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. Proton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. Baryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je „bílá“. Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v raných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích. Beta rozpad – β−: rozpad neutronů v atomovém jádře, jehož výsledkem je elektron, proton a elektronové antineutrino (slabě interagující antilepton). |
Rozpad neutronu v širších souvislostech
V husté a horké zárodečné polévce, z níž vznikal vesmír, bylo stejné
množství neutronů a protonů. Rovnováhu mezi nimi udržovaly srážky s neutrinyNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy.
a antineutriny, které měnily protony na neutrony a neutrony na protony.
V čase kolem jedné až deseti mikrosekund ale nastala významná změna.
Neutrina se oddělila od látky, látka pro ně začala být průhledná
a v důsledku toho se poměr mezi protony a neutrony začal měnit. Proton je
totiž stabilní částice a neutron se rozpadá na proton, elektron
a elektronové anitineutrino (beta rozpadBeta rozpad – β−: rozpad neutronů v atomovém jádře, jehož výsledkem je elektron, proton a elektronové antineutrino (slabě interagující antilepton).
β+: rozpad protonů v atomovém jádře, jehož výsledkem je pozitron (antičástice k elektronu), neutron a elektronové neutrino., n → p+ + e− + ν). Pokud by tento trend pokračoval ve
vesmíru delší dobu, nenalezli bychom v něm dnes ani jeden neutron a vesmír
by byl velmi chudý. Naštěstí se některé neutrony zachránily pro budoucnost
tím, že vytvořily vázaný stav s protonem (jádro deuteria), nebo se
integrovaly do lehkých atomových jader (helia, lithia atd.). Vázané neutrony
se nerozpadají a jsou stabilní. Ve výsledku je dnes ve vesmíru 13 % vázaných
neutronů a 87 % protonů.
Poločas rozpadu neutronu je něco málo přes deset minut (doba, za níž se z daného vzorku rozpadne polovina jedinců). Střední doba života neutronu je větší faktorem √2, tedy přibližně 15 minut. Bohužel ale různé experimenty dávají nepatrně odlišné hodnoty (až o 9 sekund). Liší se totiž výsledky získané sledováním počtu neutronů od výsledků změřených z pozorování produktů rozpadu (protonů a elektronů). Dosavadním řešením je údaj s dosti velikou nejistotou, který pokrývá oba způsoby měření):
τ = 14 min 40±14 s.
K řešení těchto problémů by bylo dobré znát přesný účinný průřezÚčinný průřez – vhodný způsob vyjádření pravděpodobnosti, že ostřelující částice bude jistým způsobem interagovat s částicí terče. V podstatě jím zobrazujeme každou částici terče jako určitou malou plochu nastavenou dopadajícím částicím. Všechny částice, které směřují na tuto plochu, interagují. Pravděpodobnost interakce tedy roste s velikostí účinného průřezu. interakce polní částice slabé interakce W s kvarkyKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. uvnitř protonu. Ta je dána jedinou konstantou gA (axiální vazební konstanta). Tato konstanta hraje při beta rozpadu stejnou roli jako elektrický náboj při elektrostatickém přitahování či odpuzování. Její hodnota plyne z kvantové chromodynamikyQCD – Quantum Chromodynamics, kvantová chromodynamika, teorie silné interakce. Kvarky interagují prostřednictvím polních částic silné interakce – gluonů. Silnou interakcí drží pohromadě kvarky například v neutronech a protonech. Silná interakce je zodpovědná i za soudržnost atomového jádra. K typickým rysům silné interakce patří uvěznění kvarků a jejich asymptotická volnost na malých vzdálenostech. Nábojem silné interakce je „barva“, odsud název chromodynamika. Dosah silné interakce je přibližně 10−15 m. (teorie silné interakce mezi kvarky), což je zásadní problém. Výpočty jsou velmi složité a lze je provádět jen na těch nejvýkonnějších superpočítačích světa. Nelze použít poruchovou teorii (počítat řešení jako malou poruchu jiného řešení), ale je třeba provádět kompletní výpočty. Zpravidla se tak děje na třírozměrné mříži (metoda LQCD, Lattice QCD, podrobnosti viz AB 3/2010). Tím, že se na mříži definuje nejmenší možné přiblížení kvarků, oříznou se dle relací neurčitostiRelace neurčitosti – v mikrosvětě není možné současně změřit polohu a hybnost objektů. Změření jedné veličiny naruší měření druhé veličiny. Čím přesněji zjistíme polohu, tím menší informaci budeme mít o hybnosti a naopak. Jde o principiální zákonitost kvantového světa, která souvisí s nekomutativností veličin na elementární úrovni. Relace neurčitosti objevil Werner Heisenberg. Stejné relace platí také mezi energií a časovým intervalem. Ve vakuu mohou po velmi krátkou dobu vznikat ve shodě s relacemi neurčitosti fluktuace (objekty) o určité energii. Čím vyšší energie, tím kratší doba života těchto fluktuací. Dále relace platí i pro jakoukoli zobecněnou souřadnici a její hybnost. Může jít například o nějaké pole, které nemůže mít současně nulovou hodnotu a nulovou hybnost, což vede k jeho vakuovým fluktuacím. vysoké hodnoty hybnosti a metoda nevede k nekonečnům vyskytujícím se v kvantové chromodynamice. Dosavadní odhady tvrdily, že bychom konstantu gA mohli při současném nárůstu výpočetního výkonu znát kolem roku 2020 s přesností 2 %, což není nijak povzbudivé. Skupina vědců z Lawrencovy národní laboratoře v Livermoru, národní laboratoře v Oak Ridge a z dvanácti dalších univerzit a vědeckých institucí vytvořila nové alternativní postupy výpočtů, které vedly k překonání dvouprocentní hranice v letošním roce a dávají naději na určení klíčové konstanty s mnohem vyšší přesností, a tím pochopení rozpadu neutronu, v nejbližší době.
Rozpad neutronu se symbolickou mříží, na níž probíhají výpočty metodou LQCD (kvantová chromodynamika na mříži). Jeden z kvarků „d“ emituje polní částici W, která se v zápětí rozpadne na elektron a elektronové antineutrino. Kvark „d“ se přitom přemění na kvark „u“ a z neutronu vznikne proton. Zdroj: Oak Ridge Lab.
Titánský výpočet
Výpočet chování neutronu není vůbec jednoduchý. Z mnoha úskalí si například musíme uvědomit, že neutron vždy intreraguje s okolím, při výpočtu tedy nemůže být sám, ale musí být obklopený gluonovými poli a páry kvarků a antikvarků. Doslova je ponořený v moři ostatních částic a nachází se v kombinaci různých excitovaných stavů. Proto museli vědci provádějící výpočty nejprve zvolit jakýsi výřez reálného světa – neutronu i s jeho okolím. Práce koordinovali Pavlos Vranas a André Walker-Loud z Livermorské národní laboratoře v Berkeley. K výpočtu byl využit programový balík Chroma, který vyvinula kolaborace USQCDUSQCD – US Quantum Chromo Dynamics, společenství amerických vědců provádějících výpočty v rámci kvantové chromodynamiky, kteří pro tyto výpočty vytvářejí knihovnu programů QUDA.. Výpočty probíhaly na superpočítači Titan umístěném v Oak Ridge laboratoři. Typově jde o stroj Cray® XK7TM, který využívá 18 688 procesorů s 16 jádry, tedy dohromady 299 008 jader. Každé jádro má 2 GB paměti, tj. celkem 710 terabajtů paměti. Počítač dokáže provádět 27×1015 výpočtů za sekundu! Celý výpočet trval 184 milionů hodin, samozřejmě rozdělených mezi jednotlivá jádra. Běžné stolní PC by takový výpočet zvládlo za 600 tisíc roků. Výsledkem veškerého snažení je nenápadná hodnota
gA = 1,271±0,013.
Tým předpokládá, že v brzké době získá hodnotu s přesností 0,3 %. Jedině přesná znalost hodnoty vazební konstanty umožní správně interpretovat rozdílné výsledky měření doby rozpadu neutronu a určit, která hodnota je správná. Pochopení procesů silné a slabé interakce je klíčové pro budoucnost fyziky, která dodnes nemá jednotnou teorii pro všechny čtyři interakce. Není vyloučené, že se za různými hodnotami doby života neutronu skrývá nová fyzika za hranicemi standardního modelu, který má tolik parametrů, že nemůže být úplnou fyzikální teorií. Pak by numerické simulace mohly napomoci předpovědět a objevit nové fyzikální jevy, což je snem každého fyzika, který bádá na hranici lidského poznání.
Superpočítač Titan. V záběru je zhruba polovina stroje.
Zdroj: Oak Ridge National Laboratory.
Odkazy
- C. C. Chang et al.: A per-cent-level determination of the nucleon axial coupling from quantum chromodynamics; Nature 558, 91–94 (2018)
- Glenn Roberts Jr.: Supercomputers Provide New Window Into the Life and Death of a Neutron; Berkeley Lab News Centrum, 30 May 2018
- Anne M. Stark: Simulations capture life and death of a neutron; Lawrence Livermore National Laboratory, 30 May 2018
- Regine Panknin: Microscopic universe provides insight into life and death of a neutron; EurekAlert, 30 May 2018
- Karen McNulty Walsh, Peter Genzer: Nuclear Scientists Calculate Value of Key Property that Drives Neutron Decay; BNL News, 30 May 2018
- Katie Elyce Jones: With Supercomputing Power and an Unconventional Strategy, Scientists Solve a Next-Generation Physics Problem; Oak Ridge Lab, 30 May 2018
- Derek B. Leinweber: Visualizations of Quantum Chromodynamics; Centre for the Subatomic Structure of Matter (CSSM) and Department of Physics, University of Adelaide, Australia
