Ультрахолодные нейтроны

Ультрахолодные нейтроны (UCN ) - это свободные нейтроны, которые могут храниться в ловушках из определенных материалов. Хранение основано на отражении УХН такими материалами под любым углом падения .

• 1 Свойства
• 2 История
• 3 Производство УХН
• 4 Светоотражающие материалы
• 5 Эксперименты с УХН
  • 5.1 Измерение времени жизни нейтрона
  • 5.2 Измерение электрического дипольного момента нейтрона
  • 5.3 Наблюдение гравитационных взаимодействий нейтрона
  • 5.4 Измерение времени нейтрон-антинейтронных колебаний
  • 5.5 Измерение A-коэффициента корреляции бета-распада нейтрона
• 6 Ссылки

Отражение вызвано когерентным сильным взаимодействием нейтрона с атомным ядра. Его можно квантово-механически описать с помощью эффективного потенциала, который обычно называют псевдопотенциалом Ферми или нейтронно-оптическим потенциалом. Соответствующая скорость называется критической скоростью материала. Нейтроны отражаются от поверхности, если компонента скорости, нормальная к отражающей поверхности, меньше или равна критической скорости.

Поскольку нейтронный оптический потенциал большинства материалов ниже 300 нэВ, кинетическая энергия падающих нейтронов не должна быть выше этого значения, чтобы они могли отражаться под любым углом падения, особенно при нормальной заболеваемости. Кинетическая энергия 300 нэВ соответствует максимальной скорости 7,6 м / с или минимальной длине волны 52 нм. Поскольку их плотность обычно очень мала, УХН также можно описать как очень тонкий идеальный газ с температурой 3,5 мК.

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

магнитный момент нейтрона, создаваемый его спином, взаимодействует с магнитными полями. Полная энергия изменяется на ~ 60 нэВ / Тл.

Именно Энрико Ферми первым понял, что когерентное рассеяние медленных нейтронов приведет к эффективному потенциалу взаимодействия нейтронов, движущихся через материю, который будет положительным. для большинства материалов. Следствием такого потенциала было бы полное отражение достаточно медленных нейтронов, падающих на поверхность под углом. Этот эффект был экспериментально продемонстрирован Ферми и Уолтером Генри Зинном, а также Ферми и Леоной Маршалл. Хранение нейтронов с очень низкой кинетической энергией было предсказано Яковом Борисовичем Зельдовичем и экспериментально реализовано одновременно группами в Дубне и Мюнхене.

Существуют различные методы производства УХН. Такие установки были построены и находятся в эксплуатации:

1. Использование горизонтальной откачиваемой из реактора трубки, изогнутой так, чтобы все, кроме УХН, поглощались стенками трубки до достижения детектора.
2. Нейтроны. транспортируемые из реактора через вертикальный откачиваемый канал длиной около 11 метров замедляются под действием силы тяжести, поэтому только те из них, которые имеют ультрахолодную энергию, могут достичь детектора в верхней части трубы.
3. Нейтронная турбина, в которой нейтроны со скоростью 50 м / с направляются на лопатки турбинного колеса с удаляющейся тангенциальной скоростью 25 м / с, из которых нейтроны выходят после многократных отражений со скоростью около 5 м / с.

Любой материал с положительным нейтронно-оптическим потенциалом может отражать УХН. Таблица справа дает (неполный) список материалов, отражающих УХН, включая высоту нейтронно-оптического потенциала (V F) и соответствующую критическую скорость (v C). Высота нейтронно-оптического потенциала зависит от изотопа. Наивысшее известное значение V F измерено для Ni: 335 нэВ (v C = 8,14 м / с). Он определяет верхний предел диапазона кинетической энергии УХН.

Наиболее широко используемыми материалами для покрытий стен из УХН являются бериллий, оксид бериллия, никель (включая Ni), 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 намагничен, нейтронно-оптический потенциал различен для двух поляризаций, что вызвано

$VF\; (pol.)\; =\; VF\; (unpol.)\; \pm \; \mu \; N\; \cdot \; B\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{F\; \}\; (pol.)\; =\; V\_\; \{F\}\; (unpol.)\; \backslash \; pm\; \backslash \; mu\; \_\; \{N\}\; \backslash \; cdot\; B\}$

где $\mu \; N\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{N\}\}$- магнитный момент нейтрона и $B\; =\; \mu \; 0\; \cdot \; M\; \{\backslash \; displaystyle\; B\; =\; \backslash \; mu\; \_\; \{0\}\; \backslash \; cdot\; M\}$магнитное поле, созданное на поверхность за счет намагничивания.

Каждый материал имеет определенную вероятность потерь на отражение,

$\mu \; (E,\; \theta )\; =\; 2\; \eta \; E\; cos\; 2\; \; \theta \; VF\; -\; E\; cos\; 2\; \; \theta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; (E,\; \backslash \; theta)\; =\; 2\; \backslash \; eta\; \{\backslash \; sqrt\; \{\backslash \; frac\; \{E\; \backslash \; cos\; ^\; \{2\}\; \backslash \; theta\}\; \{V\_\; \{F\}\; -E\; \backslash \; cos\; ^\; \{2\}\; \backslash \; theta\}\}\}\}$

, который зависит от кинетической энергии падающего УХН (E) и угла падения (θ). Это вызвано поглощением и рассеянием тепла. Коэффициент потерь η не зависит от энергии и обычно составляет порядка 10-10.

Производство, транспортировка и хранение UCN в настоящее время мотивированы их полезностью в качестве инструмента. определить свойства нейтрона и изучить фундаментальные физические взаимодействия. Эксперименты по хранению улучшили точность или верхний предел некоторых физических величин, связанных с нейтронами.

Измерение времени жизни нейтрона

Сегодняшнее мировое среднее значение времени жизни нейтрона составляет $885,7\; \pm \; 0,8\; с\; \{\backslash \; displaystyle\; 885.7\; \backslash \; pm\; 0.8\; \backslash ,\; \{\backslash \; mathrm\; \{s\}\}\; \backslash ,\}$, на что в эксперименте Арзуманова и др. вносит самый сильный вклад. Ref. измерено $\tau \; n\; =\; 885,4\; \pm \; 0,9\; stat\; \pm \; 0,4\; systs\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; tau\; \_\; \{n\}\; =\; 885,4\; \backslash \; pm\; 0,9\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{stat\}\}\; \backslash \; pm\; 0,4\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{syst\}\}\; \backslash ,\; \{\; \backslash \; mathrm\; \{s\}\}\; \backslash ,\}$путем хранения UCN в бутылке с материалом, покрытой. 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. Он был получен Серебровым и др., Которые обнаружили $878,5\; \pm \; 0,7\; stat\; \pm \; 0,4\; systs\; \{\backslash \; displaystyle\; 878,5\; ~\; \backslash \; pm\; 0,7\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{stat\}\}\; \backslash \; pm\; 0,4\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{syst\}\}\; \backslash ,\; \{\backslash \; mathrm\; \{s\}\}\; \backslash ,\}$. Таким образом, два наиболее точно измеренных значения отклоняются на 5,6 σ.

Измерение электрического дипольного момента нейтрона

Электрический дипольный момент нейтрона (nEDM) является мерой распределения положительного и отрицательного заряда внутри нейтрона. В настоящее время nEDM не обнаружен (октябрь 2019 г.). Самое низкое сегодня значение верхнего предела nEDM было измерено с сохраненным UCN (см. Основную статью).

Наблюдение за гравитационным взаимодействием нейтрона

Физики впервые наблюдали квантованные состояния вещества под действием гравитации. Валерий Несвижевский из Institut Laue-Langevin и его коллеги обнаружили, что холодные нейтроны, движущиеся в гравитационном поле, не перемещаются плавно, а прыгают 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 различные массы ускоряются с одинаковой скоростью в гравитационном поле (В. Несвижевский и др., 2001 Nature 415 297). Спектроскопия УХН использовалась для ограничения сценариев, включая темную энергию, поля хамелеонов и новые силы ближнего действия .

Измерение времени нейтронно-антинейтронных колебаний

Измерение A-коэффициента корреляции бета-распада нейтрона

Первое зарегистрированное измерение бета-асимметрии с использованием УХН было проведено группой в Лос-Аламосе в 2009 году. Группа LANSCE опубликовала прецизионные измерения с поляризованными лучами. UCN в следующем году. Дальнейшие измерения, проведенные этими и другими группами, привели к текущему среднемировому значению:

$A\; 0\; =\; -\; 0,1184\; \pm \; 0,0010\; \{\backslash \; displaystyle\; A\_\; \{0\}\; =\; -\; 0,1184\; \backslash \; pm\; 0,0010\}$

1. ^E. Ферми, Ricerca Scientifica 7 (1936) 13
2. ^Аноним (1946). «Протокол собрания в Чикаго, 20-22 июня 1946 г.». Физический обзор. 70 (1-2): 99. Стартовый код : 1946PhRv... 70... 99.. doi : 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. DOI : 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 др., Сов. Phys. JETP Lett. 9 (1969) 23
6. ^ Steyerl, A. (1969). «Измерения полных сечений для очень медленных нейтронов со скоростями от 100 м / сек до 5 м / сек». Physics Letters B. 29 (1): 33–35. Полномочный код : 1969PhLB... 29... 33S. doi : 10.1016 / 0370-2693 (69) 90127-0.
7. ^A. Steyerl; Х. Нагель; F.-X. Шрайбер; К.-А. Steinhauser; 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. дой : 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. A. 953 : 163112. arXiv : 2001.04538. Bibcode : 2020NIMPA.95363112D. doi : 10.1016 / j.nima.2019.163112.
9. ^R. Голуб, Д. Ричардсон, С.К. Ламоро, Ультра-холодные нейтроны, Адам Хильгер (1991), Бристоль
10. ^ В.К. Игнатович, Физика ультрахолодных нейтронов, Clarendon Press (1990), Oxford, UK
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. DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 33/1/001. ISSN 0954-3899.и частичное обновление 2007 г. для издания 2008 г. (URL: http://pdg.lbl.gov )
12. ^ Арзуманов, С; Бондаренко, Л; Чернявский, S; Drexel, W; Fomin, A; et al. (2000). «Величина времени жизни нейтрона, измеренная путем хранения ультрахолодных нейтронов с обнаружением неупруго рассеянных нейтронов». Physics Letters B. Elsevier BV. 483 (1–3): 15–22. doi : 10.1016 / s0370-2693 (00) 00579-7. ISSN 0370-2693.
13. ^Серебров, А.; Варламов, В.; Харитонов, А.; Фомин, А.; Покотиловский, Ю.; и др. (2005). «Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационной ловушки и низкого -температурное покрытие Fomblin ". Physics Letters B. Elsevier BV. 605 (1-2): 72–78. doi : 10.1016 / j.physletb. 2004.11.013. ISSN 0370-2693. PMC 4852839.
14. ^Jenke, T.; Cronenberg, G.; Burgdörfer, J.; Чижова, Л.А.; Гельтенборт, П.; Иванов, А.Н.; Лауэр, Т.; Линс, Т.; Роттер, С.; Саул, Х.; Шмидт, У.; Абеле, Х. (16 апреля 2014 г.). "Сила тяжести Резонансная спектроскопия ограничивает сценарии темной энергии и темной материи ». Письма с физическим обзором. 112 (15): 151105. arXiv : 1404.4099. Bibcode : 2014PhRvL.112o1105J. doi : 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 силы тяжести в нанометровом диапазоне». Письма с физическим обзором. 114 (16): 161101. arXiv : 1504.02181. Bibcode : 2015PhRvL.114p1101K. doi : 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 физическим обзором. 102 (1): 012301. arXiv : 0809.2941. Bibcode : 2009PhRvL.102a2301P. doi : 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 физическим обзором. 105 (18): 181803. arXiv : 1007.3790. Bibcode : 2010PhRvL.105r1803L. doi : 10.1103 / PhysRevLett.105.181803. PMID 21231098.
18. ^К.А. Olive et al. (Группа данных по частицам) (2014). "e- ПАРАМЕТР АСИММЕТРИИ A". Архивировано из оригинала 26 апреля 2015 года. Для цитирования журнала требуется |journal=()