Ultrakalla neutroner

Ultrakalla neutroner ( UCN ) är fria neutroner som kan lagras i fällor gjorda av vissa material. Lagringen är baserad på reflektion av UCN av sådana material under vilken infallsvinkel som helst .

Egenskaper

Reflexionen orsakas av den koherenta starka interaktionen mellan neutronen och atomkärnor. Den kan kvantmekaniskt beskrivas av en effektiv potential som vanligtvis kallas Fermi- pseudopotentialen eller neutronoptisk potential . Motsvarande hastighet kallas den kritiska hastigheten för ett material. Neutroner reflekteras från en yta om hastighetskomponenten vinkelrätt mot den reflekterande ytan är mindre än eller lika med den kritiska hastigheten.

Eftersom den optiska neutronpotentialen för de flesta material är under 300 neV, får den kinetiska energin för infallande neutroner inte vara högre än detta värde för att reflekteras under någon infallsvinkel, speciellt för normal infallsvinkel. Den kinetiska energin på 300 neV motsvarar en maximal hastighet på 7,6 m/s eller en minsta våglängd på 52 nm. Eftersom deras densitet vanligtvis är mycket liten kan UCN också beskrivas som en mycket tunn idealgas med en temperatur på 3,5 mK. Dessutom används material med hög optisk potential (~ 1 µeV) för design av optiska komponenter för kalla neutroner.

gravitationens inverkan betydande. Banorna är alltså paraboliska. Kinetisk energi för en UCN omvandlas till potentiell (höjd) energi med ~102 neV/m.

Neutronens magnetiska moment, som produceras av dess spin , interagerar med magnetfält. Den totala energin ändras med ~60 neV/T.

Historia

Det var Enrico Fermi som först insåg att den koherenta spridningen av långsamma neutroner skulle resultera i en effektiv interaktionspotential för neutroner som färdas genom materia, vilket skulle vara positivt för de flesta material. Konsekvensen av en sådan potential skulle vara den totala reflektionen av neutroner som är tillräckligt långsam och infaller på en yta i en blickvinkel. Denna effekt demonstrerades experimentellt av Fermi och Walter Henry Zinn och Fermi och Leona Marshall. Lagringen av neutroner med mycket låg kinetisk energi förutspåddes av Yakov Borisovich Zel'dovich och experimentellt realiserades samtidigt av grupper i Dubna och München .

UCN produktion

Det finns olika metoder för produktion av UCN. Sådana anläggningar har byggts och är i drift:

1. Användningen av ett horisontellt evakuerat rör från reaktorn, krökt så att allt utom UCN skulle absorberas av rörets väggar innan det når detektorn.
2. Neutroner som transporteras från reaktorn genom en vertikal evakuerad guide som är cirka 11 meter lång bromsas av gravitationen, så bara de som råkade ha ultrakall energi kan nå detektorn på toppen av röret.
3. En neutronturbin i vilken neutroner med 50 m/s riktas mot bladen på ett turbinhjul med vikande tangentiell hastighet 25m/s, från vilken neutroner kommer ut efter flera reflektioner med en hastighet av ca 5m/s.
4. Efter att protoner accelererats till cirka 600 MeV träffar de ett ledande mål och producerar neutroner via spallation. Dessa neutroner termaliseras i t.ex. tungt vatten och modereras sedan i t.ex. flytande eller fast deuterium för att bli kalla. Den slutliga produktionen av UCN sker via nedspridning i fast deuterium. sådan UCN-källa realiserades vid Paul Scherrer Institute, Schweiz och vid Los Alamos National Laboratory, USA.

Reflekterande material

Material:	V F	v C	η (10 −4 )
Beryllium	252 neV	6,89 m/s	2,0–8,5
BeO	261 neV	6,99 m/s
Nickel	252 neV	6,84 m/s	5.1
Diamant	304 neV	7,65 m/s
Grafit	180 neV	5,47 m/s
Järn	210 neV	6,10 m/s	1,7–28
Koppar	168 neV	5,66 m/s	2,1–16
Aluminium	054 neV	3,24 m/s	2,9–10

Alla material med positiv neutronoptisk potential kan reflektera UCN. Tabellen till höger ger en (ofullständig) lista över UCN- vC _{reflekterande} material inklusive höjden på den optiska neutronpotentialen ( VF _. ) och motsvarande kritiska hastighet ( ) Höjden på den optiska neutronpotentialen är isotopspecifik. Det högsta kända värdet på VF _mäts för ⁵⁸ Ni: 335 neV (v _C = 8,14 m/s). Den definierar den övre gränsen för det kinetiska energiområdet för UCN.

De mest använda materialen för UCN-väggbeläggningar är beryllium , berylliumoxid , nickel (inklusive ⁵⁸ Ni) och på senare tid även diamantliknande kol (DLC).

Icke-magnetiska material såsom DLC är vanligtvis att föredra för användning med polariserade neutroner. Magnetiska centra i t.ex. Ni kan leda till depolarisering av sådana neutroner vid reflektion. Om ett material är magnetiserat är den optiska neutronpotentialen olika för de två polarisationerna, orsakad av

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

där $\mu _{N}$ är neutronens magnetiska moment och $B=\mu _{0}\cdot M$ magnetfältet som skapas på ytan av magnetisering.

Varje material har en specifik förlustsannolikhet per reflektion,

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

vilket beror på den kinetiska energin för infallande UCN ( E ) och infallsvinkeln ( θ ). Det orsakas av absorption och termisk spridning. Förlustkoefficienten η är energioberoende och typiskt i storleksordningen 10 ⁻⁴ till 10 ⁻³ .

Experiment med UCN

Produktionen, transporten och lagringen av UCN motiveras för närvarande av deras användbarhet som ett verktyg för att fastställa neutronens egenskaper och för att studera grundläggande fysiska interaktioner. Lagringsexperiment har förbättrat noggrannheten eller den övre gränsen för vissa neutronrelaterade fysikaliska värden.

Mätning av neutronernas livslängd

Dagens världsmedelvärde för neutronlivslängden är ${\displaystyle 885,7\pm 0,8\,{\mathrm {s} }\,} ,$ till vilket experimentet av Arzumanov et al. bidrar starkast. Ref. uppmätt $displaystyle \tau _{n}=885,4\pm 0,9_{\mathrm {stat} }\pm 0,4_{\mathrm {syst} }\,{\mathrm {s} }\,}$ genom lagring av UCN i en materialflaska täckt med Fomblin-olja (perfluorpolyeter vakuumolja)). Genom att använda fällor med olika yta till volym-förhållanden kunde de separera lagringsavklingningstid och neutronlivslängd från varandra. Det finns ett annat resultat, med ännu mindre osäkerhet, men som inte ingår i världsgenomsnittet. Den erhölls av Serebrov et al., som fann $\displaystyle 878,5~\pm 0,7_{\mathrm {stat} }\pm 0,4_{\mathrm {syst } }\,{\mathrm {s} }\,}$ . De två mest exakt uppmätta värdena avviker alltså med 5,6 σ.

Mätning av det neutronelektriska dipolmomentet

Huvudartikel: Neutronelektriskt dipolmoment

Neutronelektriska dipolmomentet är ett mått på fördelningen av positiv och negativ laddning inuti neutronen. Inget neutronelektriskt dipolmoment har hittats i oktober 2019). Det lägsta värdet för den övre gränsen för det neutronelektriska dipolmomentet mättes med lagrad UCN (se huvudartikeln).

Observation av neutronens gravitationsinteraktioner

Fysiker har observerat kvantiserade tillstånd av materia under påverkan av gravitationen för första gången. Valery Nesvizhevsky från Institut Laue-Langevin och kollegor fann att kalla neutroner som rör sig i ett gravitationsfält inte rör sig smidigt utan hoppar från en höjd till en annan, som förutspått av kvantteorin. Fyndet skulle kunna användas för att undersöka fundamental fysik såsom ekvivalensprincipen , som säger att olika massor accelererar med samma hastighet i ett gravitationsfält (V Nesvizhevsky et al. 2001 Nature 415 297). UCN-spektroskopi har använts för att begränsa scenarier inklusive mörk energi , kameleontfält och nya kortdistanskrafter .

Sök efter Neutron to Mirror-Neutron Oscillations

se Mirror Matter

Mätning av A-koefficienten för neutronbeta-sönderfallskorrelationen

Den första rapporterade mätningen av beta-asymmetri med UCN är från en Los Alamos-grupp 2009. LANSCE-gruppen publicerade precisionsmätningar med polariserat UCN nästa år. Ytterligare mätningar av dessa grupper och andra har lett till det nuvarande världsgenomsnittet:

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