Ultrazimne neutrony

Ultrazimne neutrony ( UCN ) to wolne neutrony , które można przechowywać w pułapkach wykonanych z określonych materiałów. Przechowywanie opiera się na odbijaniu UCN przez takie materiały pod dowolnym kątem padania .

Nieruchomości

Odbicie jest spowodowane spójnym silnym oddziaływaniem neutronu z jądrami atomowymi. Można to opisać mechanicznie kwantowo za pomocą efektywnego potencjału, który jest powszechnie określany jako pseudopotencjał Fermiego lub neutronowy potencjał optyczny . Odpowiednia prędkość nazywana jest prędkością krytyczną materiału. Neutrony odbijają się od powierzchni, jeśli składowa prędkości prostopadła do powierzchni odbijającej jest mniejsza lub równa prędkości krytycznej.

Ponieważ potencjał optyczny neutronów większości materiałów wynosi poniżej 300 neV, energia kinetyczna padających neutronów nie może być wyższa niż ta wartość, aby mogły zostać odbite pod dowolnym kątem padania , zwłaszcza przy normalnym padaniu. Energia kinetyczna 300 neV odpowiada maksymalnej prędkości 7,6 m/s lub minimalnej długości fali 52 nm. Ponieważ ich gęstość jest zwykle bardzo mała, UCN można również opisać jako bardzo rzadki gaz doskonały o temperaturze 3,5 mK. Ponadto materiały o wysokim potencjale optycznym (~ 1 µeV) są wykorzystywane do projektowania elementów optycznych wykorzystujących zimne neutrony.

Ze względu na małą energię kinetyczną UCN wpływ grawitacji jest znaczący. Zatem trajektorie są paraboliczne. Energia kinetyczna UCN jest przekształcana w energię potencjalną (wysokości) z ~ 102 neV/m.

Moment magnetyczny neutronu, wytwarzany przez jego spin , oddziałuje z polami magnetycznymi. Całkowita energia zmienia się z ~ 60 neV/T.

Historia

To Enrico Fermi pierwszy zdał sobie sprawę, że spójne rozpraszanie powolnych neutronów skutkowałoby efektywnym potencjałem interakcji dla neutronów podróżujących przez materię, co byłoby dodatnie dla większości materiałów. Konsekwencją takiego potencjału byłoby całkowite odbicie wystarczająco wolnych neutronów padających na powierzchnię pod kątem patrzenia. Efekt ten wykazali eksperymentalnie Fermi i Walter Henry Zinn oraz Fermi i Leona Marshall. Magazynowanie neutronów o bardzo niskich energiach kinetycznych przewidział Jakow Borysowicz Zeldowicz i eksperymentalnie realizowane jednocześnie przez grupy w Dubnej i Monachium .

Produkcja UCN

Istnieją różne metody produkcji UCN. Takie obiekty zostały zbudowane i działają:

1. Zastosowanie poziomej rurki próżniowej z reaktora, zakrzywionej tak, że wszystko oprócz UCN zostałoby wchłonięte przez ścianki rury przed dotarciem do detektora.
2. Neutrony transportowane z reaktora przez pionową prowadnicę ewakuacyjną o długości około 11 metrów są spowalniane przez grawitację, więc tylko te, które miały ultrazimne energie, mogą dotrzeć do detektora na szczycie tuby.
3. Turbina neutronowa, w której neutrony z prędkością 50 m/s są kierowane na łopatki wirnika turbiny z cofającą się prędkością styczną 25 m/s, z której neutrony wyłaniają się po wielokrotnym odbiciu z prędkością około 5 m/s.
4. Po przyspieszeniu protonów do około 600 MeV zderzają się one z ołowianym celem i wytwarzają neutrony poprzez spalanie. Te neutrony są termalizowane np. w ciężkiej wodzie, a następnie moderowane np. w ciekłym lub stałym deuterze, aby były zimne. Ostateczna produkcja UCN odbywa się poprzez rozpraszanie w dół w stałym deuterze. Takie źródło UCN zrealizowano w Paul Scherrer Institute w Szwajcarii oraz w Los Alamos National Laboratory w USA.

Materiały odblaskowe

Materiał:	V F	v C	η (10 −4 )
Beryl	252 neV	6,89 m/s	2,0–8,5
BeO	261 neV	6,99 m/s
Nikiel	252 neV	6,84 m/s	5.1
Diament	304 neV	7,65 m/s
Grafit	180 neV	5,47 m/s
Żelazo	210 neV	6,10 m/s	1,7–28
Miedź	168 neV	5,66 m/s	2.1–16
Aluminium	054 neV	3,24 m/s	2,9–10

Każdy materiał o dodatnim potencjale optycznym neutronów może odbijać UCN. Tabela po prawej stronie zawiera (niepełną) listę materiałów odbijających UCN, w tym wysokość potencjału optycznego neutronów ( V _F ) i odpowiadającą jej prędkość krytyczną ( v _C ). Wysokość potencjału optycznego neutronu jest specyficzna dla izotopu. Najwyższą znaną wartość V _F zmierzono dla ⁵⁸ Ni: 335 neV (v _C = 8,14 m/s). Określa górną granicę zakresu energii kinetycznej UCN.

Najczęściej stosowanymi materiałami do powłok ściennych UCN są beryl , tlenek berylu , nikiel (w tym ⁵⁸ Ni), a ostatnio również węgiel diamentopodobny (DLC).

Materiały niemagnetyczne, takie jak DLC, są zwykle preferowane do stosowania z neutronami spolaryzowanymi. Centra magnetyczne np. w Ni mogą prowadzić do depolaryzacji takich neutronów po odbiciu. Jeśli materiał jest namagnesowany , potencjał optyczny neutronów jest różny dla dwóch polaryzacji, spowodowanych przez

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

gdzie jest momentem magnetycznym neutronu $i$ polem magnetycznym $\ mu _ {0} \ cdot M$ na powierzchni przez namagnesowanie.

Każdy materiał ma określone prawdopodobieństwo utraty na odbicie,

${\ Displaystyle \ mu (E, \ teta) = 2 \ eta {\ sqrt {\ Frac {E \ sałata ^ {2 }\theta }{V_{F}-E\cos ^{2}\theta }}}}$

która zależy od energii kinetycznej padającego UCN ( E ) i kąta padania ( θ ). Jest to spowodowane absorpcją i rozpraszaniem ciepła. Współczynnik strat η jest niezależny od energii i zazwyczaj jest rzędu ^10-4 do ^10-3 .

Eksperymenty z UCN

Produkcja, transport i przechowywanie UCN jest obecnie motywowane ich przydatnością jako narzędzia do określania właściwości neutronu i badania podstawowych interakcji fizycznych. Eksperymenty z przechowywaniem poprawiły dokładność lub górną granicę niektórych wartości fizycznych związanych z neutronami.

Pomiar czasu życia neutronów

Dzisiejsza średnia światowa wartość czasu życia neutronu wynosi ${\ Displaystyle 885,7 \ pm 0,8 \, {\ operatorname {s}} \,}$ , do czego eksperyment Arzumanova i in. przyczynia się najsilniej. Ref. mierzone ${\ Displaystyle \ tau _ {n} = 885,4 \ pm 0,9 _ {\ operatorname {stat}} \ pm 0,4 _ {\ operatorname {syst} }\,{\mathrm {s} }\,}$ przez przechowywanie UCN w butelce z materiałem pokrytej olejem Fomblin (perfluoropolieterowy olej próżniowy)). Zastosowanie pułapek o różnych stosunkach powierzchni do objętości pozwoliło im oddzielić czas zaniku składowania i czas życia neutronów od siebie. Jest jeszcze inny wynik, z jeszcze mniejszą niepewnością, ale który nie jest wliczany do średniej światowej. Otrzymali go Serebrov i wsp., Którzy znaleźli ${\ Displaystyle 878,5 ~ \ pm 0,7 _ {\ operatorname {stat}} \ pm 0,4 _ {\ operatorname {syst } }\,{\mathrm {s} }\,}$ . Zatem dwie najdokładniej zmierzone wartości różnią się o 5,6 σ.

Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronów

Główny artykuł: Elektryczny moment dipolowy neutronów

Elektryczny moment dipolowy neutronu jest miarą rozkładu ładunku dodatniego i ujemnego wewnątrz neutronu. Od października 2019 r. Nie znaleziono elektrycznego momentu dipolowego neutronów). Najniższą wartość górnej granicy elektrycznego momentu dipolowego neutronów zmierzono za pomocą zapisanego UCN (patrz główny artykuł).

Obserwacja oddziaływań grawitacyjnych neutronu

Fizycy po raz pierwszy zaobserwowali skwantowane stany materii pod wpływem grawitacji. Valery Nesvizhevsky z Institut Laue-Langevin i współpracownicy odkryli, że zimne neutrony poruszające się w polu grawitacyjnym nie poruszają się płynnie, ale przeskakują z jednej wysokości na drugą, zgodnie z przewidywaniami teorii kwantowej. Odkrycie to można wykorzystać do zbadania fundamentalnej fizyki, takiej jak zasada równoważności , która mówi, że różne masy przyspieszają z tą samą szybkością w polu grawitacyjnym (V Nesvizhevsky et al. 2001 Naturę 415 297). Spektroskopia UCN została wykorzystana do ograniczenia scenariuszy obejmujących ciemną energię , pola kameleona i nowe siły krótkiego zasięgu .

Wyszukaj oscylacje od neutronu do lustrzanego neutronu

patrz Lustrzana materia

Pomiar współczynnika A korelacji rozpadu beta neutronów

Pierwszy zgłoszony pomiar beta-asymetrii przy użyciu UCN pochodzi od grupy z Los Alamos w 2009 roku. Grupa LANSCE opublikowała precyzyjne pomiary ze spolaryzowanym UCN w następnym roku. Dalsze pomiary przeprowadzone przez te i inne grupy doprowadziły do ​​​​obecnej średniej światowej:

${\ Displaystyle A_ {0} = - 0,1184 \ pm 0,0010}$