Ультрахолодные нейтроны - Ultracold neutrons

Ультрахолодные нейтроны (UCN) находятся свободные нейтроны которые можно хранить в ловушках из определенных материалов. Хранилище основано на отражении УХН такими материалами при любых угол падения.

Характеристики

Отражение вызвано когерентным сильное взаимодействие нейтрона с атомными ядрами. Его можно квантово-механически описать эффективным потенциалом, который обычно называют Ферми псевдопотенциал или нейтронно-оптический потенциал. Соответствующая скорость называется критическая скорость материала. Нейтроны отражаются от поверхности, если составляющая скорости, нормальная к отражающей поверхности, меньше или равна критической скорости.

Поскольку нейтронно-оптический потенциал большинства материалов ниже 300 нэВ, кинетическая энергия падающих нейтронов не должно быть выше этого значения, чтобы они отражались ни при каких угол падения, особенно при нормальной заболеваемости. Кинетическая энергия 300 нэВ соответствует максимуму скорость 7,6 м / с или минимум длина волны 52 нм. Поскольку их плотность обычно очень мала, УХН также можно описать как очень тонкие идеальный газ с температурой 3,5 мК.

Из-за малой кинетической энергии УХН влияние гравитация имеет значение. Таким образом, траектории параболические. Кинетическая энергия УХН преобразуется в потенциальную (высотную) энергию с ~ 102 нэВ / м.

В магнитный момент нейтрона, произведенного его вращение, взаимодействует с магнитными полями. Полная энергия изменяется на ~ 60 нэВ / Тл.

История

Это было Энрико Ферми кто первым понял, что когерентное рассеяние медленных нейтронов приведет к эффективному потенциалу взаимодействия нейтронов, движущихся через вещество, что будет положительным для большинства материалов.^[1] Следствием такого потенциала было бы полное отражение достаточно медленных нейтронов, падающих на поверхность под углом. Этот эффект был экспериментально продемонстрирован Ферми и Уолтер Генри Зинн ^[2] и Ферми и Леона Маршалл.^[3] Хранение нейтронов с очень низкой кинетической энергией было предсказано Яков Борисович Зельдович^[4] и экспериментально реализовано одновременно группами на Дубна ^[5] и Мюнхен.^[6]

Производство УХН

Существуют различные методы производства УХН. Построены и эксплуатируются такие объекты:

1. Использование горизонтальной откачиваемой трубки из реактора, изогнутой так, чтобы весь УХН, кроме УХН, поглощался стенками трубки до того, как достигнет детектора.^[5].
2. Нейтроны, транспортируемые из реактора по вертикальному откачиваемому каналу длиной около 11 метров, замедляются под действием силы тяжести, поэтому только те, которые имеют ультрахолодную энергию, могут достичь детектора в верхней части трубки.^[6].
3. Нейтронная турбина, в которой нейтроны со скоростью 50 м / с направляются на лопатки турбинного колеса с удаляющейся тангенциальной скоростью 25 м / с, из которой нейтроны выходят после многократных отражений со скоростью около 5 м / с.^[7][8].

Светоотражающие материалы

Материал:	VF[9]	vC[10]	η (10^−4)[10]
Бериллий	252 нэВ	6,89 м / с	2.0–8.5
BeO	261 нэВ	6,99 м / с
Никель	252 нэВ	6,84 м / с	5.1
Алмаз	304 нэВ	7,65 м / с
Графитовый	180 нэВ	5,47 м / с
Утюг	210 нэВ	6,10 м / с	1.7–28
Медь	168 нэВ	5,66 м / с	2.1–16
Алюминий	054 нэВ	3,24 м / с	2.9–10

Любой материал с положительным нейтронно-оптическим потенциалом может отражать УХН. В таблице справа приведен (неполный) список материалов, отражающих УХН, включая высоту нейтронно-оптического потенциала (V_F) и соответствующая критическая скорость (v_C). Высота нейтронно-оптического потенциала зависит от изотопа. Наивысшее известное значение V_F измеряется для ⁵⁸Ni: 335 нэВ (v_C = 8,14 м / с). Он определяет верхний предел диапазона кинетической энергии УХН.

Наиболее широко используемые материалы для облицовки стен из УХН: бериллий, оксид бериллия, никель (включая ⁵⁸Ni), а в последнее время также алмазоподобный углерод (DLC).

Немагнитные материалы, такие как DLC, обычно предпочтительны для использования с поляризованными нейтронами. Магнитные центры, например, в Ni может приводить к деполяризации таких нейтронов при отражении. Если материал намагниченный, нейтронно-оптический потенциал различен для двух поляризаций, что связано с

${\displaystyle V_{F}(pol.)=V_{F}(unpol.)\pm \mu _{N}\cdot B}$

куда ${\displaystyle \mu _{N}}$ это магнитный момент нейтрона и ${\displaystyle B=\mu _{0}\cdot M}$ магнитное поле, создаваемое на поверхности за счет намагничивания.

Каждый материал имеет определенную вероятность потерь на отражение,

${\displaystyle \mu (E,\theta )=2\eta {\sqrt {\frac {E\cos ^{2}\theta }{V_{F}-E\cos ^{2}\theta }}}}$

зависящее от кинетической энергии падающего УХН (E) и угол падения (θ). Это вызвано поглощением и рассеянием тепла. Коэффициент потерь η не зависит от энергии и обычно составляет порядка 10⁻⁴ до 10⁻³.

Эксперименты с УХН

Производство, транспортировка и хранение УХН в настоящее время мотивированы их полезностью в качестве инструмента для определения свойств нейтрона и изучения фундаментальных физических взаимодействий. Эксперименты по хранению улучшили точность или верхний предел некоторых физических величин, связанных с нейтронами.

Измерение времени жизни нейтрона

Сегодняшнее среднемировое значение времени жизни нейтрона составляет ${\displaystyle 885.7\pm 0.8\,{\mathrm {s} }\,}$,^[11] к чему эксперимент Арзуманова с соавт.^[12] вносит самый сильный вклад. Ref.^[12] измеренный ${\displaystyle \tau _{n}=885.4\pm 0.9_{\mathrm {stat} }\pm 0.4_{\mathrm {syst} }\,{\mathrm {s} }\,}$ хранением УХН в емкости для материала, покрытой Масло фомблина. Использование ловушек с различным соотношением поверхности к объему позволило им отделить время распада хранения и время жизни нейтронов друг от друга. Есть еще один результат, с еще меньшей неопределенностью, но не включенный в средний мировой показатель. Получено Серебровым и др.,^[13] кто нашел ${\displaystyle 878.5~\pm 0.7_{\mathrm {stat} }\pm 0.4_{\mathrm {syst} }\,{\mathrm {s} }\,}$. Таким образом, два наиболее точно измеренных значения отклоняются на 5,6 σ.

Измерение электрического дипольного момента нейтрона.

Основная статья: Электрический дипольный момент нейтрона

В электрический дипольный момент нейтрона (nEDM) - это мера распределения положительного и отрицательного заряда внутри нейтрона. В настоящее время nEDM не обнаружен (октябрь 2019 г.). Наименьшее сегодня значение верхнего предела nEDM было измерено с сохраненным UCN (см. Основную статью).

Наблюдение гравитационного взаимодействия нейтрона.

Физики впервые наблюдали квантованные состояния вещества под действием силы тяжести. Валерий Несвижевский из Institut Laue-Langevin и его коллеги обнаружили, что холодные нейтроны движутся в гравитационное поле не двигаться плавно, а прыгать с одной высоты на другую, как предсказывает квантовая теория. Это открытие может быть использовано для исследования фундаментальной физики, такой как принцип эквивалентности, который утверждает, что разные массы ускоряются с одинаковой скоростью в гравитационном поле (В. Несвижевский и другие. 2001 Nature 415297). Спектроскопия УХН использовалась для ограничения сценариев, включая темная энергия, поля хамелеонов,^[14] и новый ближний бой силы.^[15]

Измерение времени нейтрон-антинейтронной осцилляции

Измерение A-коэффициента корреляции бета-распада нейтрона

Первое зарегистрированное измерение бета-асимметрии с использованием UCN было проведено группой Лос-Аламоса в 2009 году.^[16] Группа LANSCE опубликовала точные измерения с поляризованными УХН в следующем году.^[17] Дальнейшие измерения, проведенные этими и другими группами, привели к текущему среднемировому значению:^[18]

${\displaystyle A_{0}=-0.1184\pm 0.0010}$

Рекомендации

1. Э. Ферми, Ricerca Scientifica 7 (1936) 13
2. Аноним (1946). «Протокол собрания в Чикаго, 20-22 июня 1946 г.». Физический обзор. 70 (1–2): 99. Bibcode:1946ПхРв ... 70 ... 99.. Дои:10.1103 / PhysRev.70.99.
3. Fermi, E .; Маршалл, Л. (1947-05-15). «Интерференционные явления медленных нейтронов». Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 71 (10): 666–677. Дои:10.1103 / Physrev.71.666. HDL:2027 / mdp.39015074124465. ISSN  0031-899X.
4. Зельдович, Я.Б. (1959). «Хранение холодных нейтронов». Советский физический журнал экспериментальной и теоретической физики. 9: 1389.
5. В.И. Лушиков и другие., Сов. Phys. JETP Lett. 9 (1969) 23
6. Штейерл, А. (1969). «Измерения полных сечений для очень медленных нейтронов со скоростями от 100 м / сек до 5 м / сек». Письма по физике B. 29 (1): 33–35. Bibcode:1969ФЛБ ... 29 ... 33С. Дои:10.1016/0370-2693(69)90127-0.
7. А. Штейерл; Х. Нагель; F.-X. Шрайбер; К.-А. Штайнхаузер; Р. Гелер; В. Глэзер; П. Аджерон; J. M. Astruc; В. Дрексель; Дж. Жерве и В. Мампе (1986). «Новый источник холодных и ультрахолодных нейтронов». Phys. Lett. А. 116 (7): 347–352. Дои:10.1016/0375-9601(86)90587-6.
8. Стефан Дёге; Юрген Хингерл и Кристоф Моркель (февраль 2020 г.). "Измеренные спектры скорости и плотности нейтронов в портах для пучка ультрахолодных нейтронов PF2 в Институте Лауэ – Ланжевена". Nucl. Instrum. Meth. А. 953: 163112. arXiv:2001.04538. Bibcode:2020NIMPA.95363112D. Дои:10.1016 / j.nima.2019.163112.
9. Р. Голуб, Д. Ричардсон, С.К. Ламоро, Ультра-холодные нейтроны, Адам Хильгер (1991), Бристоль
10. В.К. Игнатович, Физика ультрахолодных нейтронов, Clarendon Press (1990), Оксфорд, Великобритания
11. al, W-M Yao; и другие. (Группа данных по частицам) (01.07.2006). «Обзор физики элементарных частиц». Журнал физики G: Ядерная физика и физика элементарных частиц. IOP Publishing. 33 (1): 1–1232. Дои:10.1088/0954-3899/33/1/001. ISSN  0954-3899. и частичное обновление 2007 г. для выпуска 2008 г. (URL: http://pdg.lbl.gov )
12. Арзуманов, С; Бондаренко, Л; Чернявский, С; Дрексель, Вт; Фомин А; и другие. (2000). «Время жизни нейтрона, измеренное путем хранения ультрахолодных нейтронов с детектированием неупруго рассеянных нейтронов». Письма по физике B. Elsevier BV. 483 (1–3): 15–22. Дои:10.1016 / s0370-2693 (00) 00579-7. ISSN  0370-2693.
13. Серебров, А .; Варламов, В .; Харитонов, А .; Фомин А .; Покотиловский Ю.А. и другие. (2005). «Измерение времени жизни нейтрона с помощью гравитационной ловушки и низкотемпературного покрытия Фомблина». Письма по физике B. Elsevier BV. 605 (1–2): 72–78. Дои:10.1016 / j.physletb.2004.11.013. ISSN  0370-2693. ЧВК  4852839.
14. Jenke, T .; Cronenberg, G .; Burgdörfer, J .; Чижова, Л. А .; Geltenbort, P .; Иванов, А. Н .; Лауэр, Т .; Линс, Т .; Роттер, С .; Saul, H .; Schmidt, U .; Абеле, Х. (16 апреля 2014 г.). «Спектроскопия гравитационного резонанса ограничивает сценарии темной энергии и темной материи». Письма с физическими проверками. 112 (15): 151105. arXiv:1404.4099. Bibcode:2014PhRvL.112o1105J. Дои:10.1103 / PhysRevLett.112.151105. PMID  24785025.
15. Kamiya, Y .; Итагаки, К .; Tani, M .; Kim, G. N .; Комамия, С. (22 апреля 2015 г.). «Ограничения на новые гравитационные силы в нанометровом диапазоне». Письма с физическими проверками. 114 (16): 161101. arXiv:1504.02181. Bibcode:2015ПхРвЛ.114п1101К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.114.161101. PMID  25955041.
16. Pattie, R.W .; Anaya, J .; Back, H.O .; Boissevain, J. G .; Bowles, T. J .; Broussard, L.J .; Carr, R .; Кларк, Д. Дж .; Currie, S .; Ду, С .; Filippone, B.W .; Geltenbort, P .; Гарсия, А .; Хавари, А .; Hickerson, K. P .; Hill, R .; Хино, М .; Hoedl, S.A .; Hogan, G.E .; Холли, А. Т .; Ито, Т. М .; Kawai, T .; Кирх, К .; Китагаки, S .; Lamoreaux, S.K .; Liu, C.-Y .; Liu, J .; Makela, M .; Mammei, R. R .; и другие. (5 января 2009 г.). «Первое измерение β-асимметрии нейтронов с ультрахолодными нейтронами» (PDF). Письма с физическими проверками. 102 (1): 012301. arXiv:0809.2941. Bibcode:2009ПхРвЛ.102а2301П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.012301. PMID  19257182.
17. Liu, J .; Mendenhall, M.P .; Холли, А. Т .; Back, H.O .; Bowles, T. J .; Broussard, L.J .; Carr, R .; Clayton, S .; Currie, S .; Filippone, B.W .; Гарсия, А .; Geltenbort, P .; Hickerson, K. P .; Hoagland, J .; Hogan, G.E .; Hona, B .; Ито, Т. М .; Liu, C.-Y .; Makela, M .; Mammei, R. R .; Martin, J. W .; Melconian, D .; Morris, C.L .; Pattie, R.W .; Pérez Galván, A .; Pitt, M. L .; Гипс, Б .; Ramsey, J.C .; Rios, R .; и другие. (Июль 2010 г.). «Определение константы слабой аксиально-векторной связи с ультрахолодными нейтронами». Письма с физическими проверками. 105 (18): 181803. arXiv:1007.3790. Bibcode:2010ПхРвЛ.105р1803Л. Дои:10.1103 / PhysRevLett.105.181803. PMID  21231098.
18. К.А. Olive et al. (Группа данных по частицам) (2014). "e− ПАРАМЕТР АСИММЕТРИИ A". Архивировано из оригинал на 2015-04-26.