Ультрахолодные нейтроны
Наука с нейтронами |
---|
Фонды |
Рассеяние нейтронов |
Другие приложения |
|
Инфраструктура |
|
Нейтронные установки |
Ультрахолодные нейтроны ( УХН ) — это свободные нейтроны , которые можно хранить в ловушках, изготовленных из определенных материалов. Хранение основано на отражении УХН такими материалами под любым углом падения .
Характеристики
[ редактировать ]Отражение вызвано когерентным сильным взаимодействием нейтрона с атомными ядрами. Его можно квантово-механически описать с помощью эффективного потенциала, который обычно называют псевдопотенциалом или Ферми нейтронным 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 отразиться под любым углом падения , особенно при нормальном падении. 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. Кроме того, для создания оптических компонентов холодных нейтронов используются материалы с высоким оптическим потенциалом (~ 1 мкэВ). [1]
Из-за малой кинетической энергии УХН влияние гравитации существенно . Таким образом, траектории являются параболическими. Кинетическая энергия УХН преобразуется в потенциальную (высотную) энергию ~102 нэВ/м.
Магнитный момент нейтрона, создаваемый его спином , взаимодействует с магнитными полями. Полная энергия изменяется с ~60 нэВ/Тл.
История
[ редактировать ]Именно Энрико Ферми первым понял, что когерентное рассеяние медленных нейтронов приведет к эффективному потенциалу взаимодействия нейтронов, путешествующих через вещество, который будет положительным для большинства материалов. [2] Следствием такого потенциала было бы полное отражение нейтронов, достаточно медленных и падающих на поверхность под углом скольжения. Этот эффект был экспериментально продемонстрирован Ферми и Уолтером Генри Зинном. [3] и Ферми и Леона Маршалл. [4] Хранение нейтронов с очень малыми кинетическими энергиями предсказал Яков Борисович Зельдович. [5] и экспериментально реализовано одновременно группами в Дубне [6] и Мюнхен . [7]
производство УХН
[ редактировать ]Существуют различные методы производства УХН. Построены и находятся в эксплуатации такие объекты:
- Использование горизонтальной вакуумной трубки из реактора, изогнутой таким образом, чтобы все, кроме УХН, поглощалось стенками трубки, прежде чем достичь детектора. [6]
- Нейтроны, транспортируемые из реактора по вертикальному вакуумному проводнику длиной около 11 метров, замедляются под действием силы тяжести, поэтому до детектора в верхней части трубки могут добраться только те, у которых оказалась ультрахолодная энергия. [7]
- Нейтронная турбина, в которой нейтроны со скоростью 50 м/с направлены на лопатки турбинного колеса с удаляющейся тангенциальной скоростью 25 м/с, из которого нейтроны выходят после многократных отражений со скоростью около 5 м/с. [8] [9] [10]
- После того, как протоны ускоряются примерно до 600 МэВ, они сталкиваются со свинцовой мишенью и производят нейтроны в результате расщепления. Эти нейтроны термализуются, например, в тяжелой воде, а затем замедляются, например, в жидком или твердом дейтерии, чтобы стать холодными. Окончательное производство УХН происходит путем рассеяния вниз в твердом дейтерии. Такой источник УХН [11] была реализована в Институте Пола Шеррера, Швейцария и в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, США.
Светоотражающие материалы
[ редактировать ]Материал: | В Ф [12] | в С [13] | (10 −4 ) [13] |
Бериллий | 252 нэВ | 6,89 м/с | 2.0–8.5 |
БеО | 261 нэВ | 6,99 м/с | |
Никель | 252 нэВ | 6,84 м/с | 5.1 |
Алмаз | 304 нэВ | 7,65 м/с | |
Графит | 180 нэВ | 5,47 м/с | |
Железо | 210 нэВ | 6,10 м/с | 1.7–28 |
Медь | 168 нэВ | 5,66 м/с | 2.1–16 |
Алюминий | 54 нэВ | 3,24 м/с | 2.9–10 |
Любой материал с положительным нейтронно-оптическим потенциалом может отражать УХН. В таблице справа приведен (неполный) список отражающих материалов УХН, включая высоту нейтронного оптического потенциала ( V F ) и соответствующую критическую скорость ( v C ). Высота нейтронного оптического потенциала зависит от изотопа. Наибольшее известное значение V F измерено для 58 Ni: 335 нэВ (v C = 8,14 м/с). Он определяет верхнюю границу диапазона кинетической энергии УХН.
Наиболее широко применяемыми материалами для настенных покрытий из УХН являются бериллий , оксид бериллия , никель (в т.ч. 58 Ni), а в последнее время и алмазоподобный углерод (DLC).
Немагнитные материалы, такие как DLC, обычно предпочтительны для использования с поляризованными нейтронами. Магнитные центры, например, в Ni, могут приводить к деполяризации таких нейтронов при отражении. Если материал намагничен , оптический потенциал нейтрона различен для двух поляризаций, что вызвано
где - магнитный момент нейтрона и магнитное поле, создаваемое на поверхности намагничиванием.
Каждый материал имеет определенную вероятность потерь на отражение,
которая зависит от кинетической энергии падающего УХН ( E ) и угла падения ( θ ). Это вызвано поглощением и тепловым восходящим рассеянием. Коэффициент потерь η не зависит от энергии и обычно составляет порядка 10. −4 до 10 −3 .
Эксперименты с УХН
[ редактировать ]Производство, транспортировка и хранение УХН в настоящее время обусловлено 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
[ редактировать ]Сегодняшнее среднее мировое значение времени жизни нейтрона составляет , [14] на что указывает эксперимент Арзуманова с соавт. [15] способствует сильнейшему. Ссылка. [15] измеренный путем хранения УХН в бутылке с материалом, покрытой маслом Фомблин (перфторполиэфирное вакуумное масло)). Использование ловушек с различным соотношением поверхности и объема позволило им отделить время распада хранения и время жизни нейтрона друг от друга. Есть еще один результат, с еще меньшей неопределенностью, но который не включен в средний мировой показатель. Оно было получено Серебровым и др. [16] кто нашел . Таким образом, два наиболее точно измеренных значения отклоняются на 5,6 σ.
Измерение электрического дипольного момента нейтрона
[ редактировать ]Электрический дипольный момент нейтрона является мерой распределения положительного и отрицательного заряда внутри нейтрона. По состоянию на октябрь 2019 года электрический дипольный момент нейтрона не обнаружен). Наименьшее значение верхнего предела электрического дипольного момента нейтрона было измерено с хранящимся УХН (см. основную статью).
Наблюдение гравитационного взаимодействия нейтрона
[ редактировать ]Физики впервые наблюдали квантовые состояния материи под действием гравитации. Валерий Несвижевский из Института Лауэ-Ланжевена и его коллеги обнаружили, что холодные нейтроны, движущиеся в гравитационном поле, не движутся плавно, а перепрыгивают 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 др., 2001 Nature 415 297). Спектроскопия УХН использовалась для ограничения сценариев, включая темную энергию , поля-хамелеоны , [17] ближнего действия и новые силы . [18]
Поиск нейтронно-зеркальных нейтронных колебаний
[ редактировать ]Измерение времени нейтрон-антинейтронных колебаний
[ редактировать ]Измерение А-коэффициента корреляции бета-распада нейтрона
[ редактировать ]Первое зарегистрированное измерение бета-асимметрии с использованием УХН было проведено группой из Лос-Аламоса в 2009 году. [19] В следующем году группа LANSCE опубликовала точные измерения с поляризованным УХН. [20] Дальнейшие измерения, проведенные этими и другими группами, привели к текущему среднемировому показателю: [21]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хадден, Эльхусин; Исо, Юко; Куме, Ацуши; Умэмото, Коичи; Дженке, Тобиас; Фалли, Мартин; Клепп, Юрген; Томита, Ясуо (24 мая 2022 г.). «Композитные решетки наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов» . В Маклеоде, Роберт Р.; Томита, Ясуо; Шеридан, Джон Т; Паскуаль Вильялобос, Инмакулада (ред.). Светочувствительные материалы и их применение II . Том. 12151. ШПИОН. стр. 70–76. Бибкод : 2022SPIE12151E..09H . дои : 10.1117/12.2623661 . ISBN 9781510651784 . S2CID 249056691 .
- ^ Э. Ферми, Scientific Research 7 (1936) 13
- ^ Аноним (1946). «Протокол заседания в Чикаго, 20-22 июня 1946 г.». Физический обзор . 70 (1–2): 99. Бибкод : 1946PhRv...70...99. . дои : 10.1103/PhysRev.70.99 .
- ^ Ферми, Э.; Маршалл, Л. (15 мая 1947 г.). «Интерференционные явления медленных нейтронов». Физический обзор . 71 (10). Американское физическое общество (APS): 666–677. Бибкод : 1947PhRv...71..666F . дои : 10.1103/physrev.71.666 . hdl : 2027/mdp.39015074124465 . ISSN 0031-899X .
- ^ Зельдович, Я.Б. (1959). «Хранение холодных нейтронов». Советский физический журнал экспериментальной и теоретической физики . 9 : 1389.
- ^ Перейти обратно: а б V.I. Lushikov et al. , Sov. Phys. JETP Lett. 9 (1969) 23
- ^ Перейти обратно: а б Стейерл, А. (1969). «Измерения полных сечений очень медленных нейтронов со скоростями от 100 м/сек до 5 м/сек». Буквы по физике Б. 29 (1): 33–35. Бибкод : 1969PhLB...29...33S . дои : 10.1016/0370-2693(69)90127-0 .
- ^ А. Штайерл; Х. Нагель; Ф.-Х. Шрайбер; К.-А. Штайнхаузер; Р. Гелер; В. Глейзер; П. Агерон; Дж. М. Астрюк; В. Дрексель; Г. Жерве и В. Мампе (1986). «Новый источник холодных и ультрахолодных нейтронов» . Физ. Летт. А. 116 (7): 347–352. Бибкод : 1986PhLA..116..347S . дои : 10.1016/0375-9601(86)90587-6 .
- ^ «Жёлтая книга ИЛЛ» . www.ill.eu. Проверено 5 июня 2022 г.
- ^ Стефан Дёге; Юрген Хингерль и Кристоф Моркель (февраль 2020 г.). «Измеренные спектры скоростей и плотности нейтронов в портах пучка ультрахолодных нейтронов PF2 в Институте Лауэ – Ланжевена» . Нукл. Инструмент. Методы А. 953 : 163112. arXiv : 2001.04538 . Бибкод : 2020NIMPA.95363112D . дои : 10.1016/j.nima.2019.163112 . S2CID 209942845 .
- ^ Лаусс, Бернхард; Блау, Бертран (6 сентября 2021 г.). «УХН, источник ультрахолодных нейтронов — нейтроны для физики элементарных частиц» . SciPost Physics Proceedings (5): 004. arXiv : 2104.02457 . doi : 10.21468/SciPostPhysProc.5.004 . ISSN 2666-4003 . S2CID 233033971 .
- ^ Р. Голуб, Д. Ричардсон, С.К. Ламоро, Ультрахолодные нейтроны , Адам Хилгер (1991), Бристоль
- ^ Перейти обратно: а б В.К. Игнатович, Физика ультрахолодных нейтронов , Clarendon Press (1990), Оксфорд, Великобритания.
- ^ аль, В.М. Яо; и др. (Группа данных о частицах) (1 июля 2006 г.). «Обзор физики элементарных частиц» . Журнал физики G: Ядерная физика и физика элементарных частиц . 33 (1): 1–1232. arXiv : astro-ph/0601514 . Бибкод : 2006JPhG...33....1Y . дои : 10.1088/0954-3899/33/1/001 . ISSN 0954-3899 . и частичное обновление 2007 г. для издания 2008 г. (URL: http://pdg.lbl.gov )
- ^ Перейти обратно: а б Арзуманов С; Бондаренко Л; Чернявский С; Дрексел, В; Фомин А; и др. (2000). «Время жизни нейтрона, измеренное путем хранения ультрахолодных нейтронов с детектированием неупруго рассеянных нейтронов». Буквы по физике Б. 483 (1–3). Эльзевир Б.В.: 15–22. Бибкод : 2000PhLB..483...15A . дои : 10.1016/s0370-2693(00)00579-7 . ISSN 0370-2693 .
- ^ Серебров А.; Варламов В.; Харитонов А.; Фомин А.; Покотиловский Ю.; и др. (2005). «Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационной ловушки и низкотемпературного покрытия Фомблина» . Буквы по физике Б. 605 (1–2): 72–78. arXiv : nucl-ex/0408009 . Бибкод : 2005PhLB..605...72S . дои : 10.1016/j.physletb.2004.11.013 . ISSN 0370-2693 . ПМЦ 4852839 . ПМИД 27308146 .
- ^ Дженке, Т.; Кроненберг, Г.; Бургдёрфер, Дж.; Чижова, Л.А.; Гельтенборт, П.; Иванов А.Н.; Лауэр, Т.; Линс, Т.; Роттер, С.; Саул, Х.; Шмидт, У.; Абеле, Х. (16 апреля 2014 г.). «Гравитационно-резонансная спектроскопия ограничивает сценарии темной энергии и темной материи». Письма о физических отзывах . 112 (15): 151105. arXiv : 1404.4099 . Бибкод : 2014PhRvL.112o1105J . дои : 10.1103/PhysRevLett.112.151105 . ПМИД 24785025 . S2CID 38389662 .
- ^ Камия, Ю.; Итагаки, К.; Тани, М.; Ким, Дж.Н.; Комамия, С. (22 апреля 2015 г.). «Ограничения на новые гравитациоподобные силы в нанометровом диапазоне». Письма о физических отзывах . 114 (16): 161101. arXiv : 1504.02181 . Бибкод : 2015PhRvL.114p1101K . doi : 10.1103/PhysRevLett.114.161101 . ПМИД 25955041 . S2CID 10982682 .
- ^ Патти, RW; Анайя, Дж.; Назад, ХО; Буассен, Дж.Г.; Боулз, Ти Джей; Бруссар, LJ; Карр, Р.; Кларк, диджей; Карри, С.; Ду, С.; Филиппине, BW; Гельтенборт, П.; Гарсия, А.; Хавари, А.; Хикерсон, КП; Хилл, Р.; Хино, М.; Хоедль, Южная Каролина; Хоган, GE; Холли, AT; Ито, ТМ; Каваи, Т.; Кирх, К.; Китагаки, С.; Ламоро, СК; Лю, К.-Ю.; Лю, Дж.; Макела, М.; Маммей, РР; и др. (5 января 2009 г.). «Первое измерение нейтронной β-асимметрии с помощью ультрахолодных нейтронов» (PDF) . Письма о физических отзывах . 102 (1): 012301. arXiv : 0809.2941 . Бибкод : 2009PhRvL.102a2301P . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.012301 . ПМИД 19257182 . S2CID 13048589 .
- ^ Лю, Дж.; Менденхолл, член парламента; Холли, AT; Назад, ХО; Боулз, Ти Джей; Бруссард, LJ; Карр, Р.; Клейтон, С.; Карри, С.; Филиппине, BW; Гарсия, А.; Гельтенборт, П.; Хикерсон, КП; Хоугланд, Дж.; Хоган, GE; Хона, Б.; Ито, ТМ; Лю, К.-Ю.; Макела, М.; Маммей, РР; Мартин, JW; Мелконян, Д.; Моррис, CL; Патти, RW; Перес Гальван, А.; Питт, МЛ; Пластырь, Б.; Рэмси, Джей Си; Риос, Р.; и др. (июль 2010 г.). «Определение аксиально-векторной константы слабой связи с ультрахолодными нейтронами». Письма о физических отзывах . 105 (18): 181803. arXiv : 1007.3790 . Бибкод : 2010PhRvL.105r1803L . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.181803 . ПМИД 21231098 . S2CID 16055409 .
- ^ К.А. Олив и др. (Группа данных о частицах) (2014). «Параметр электронной асимметрии A» . Архивировано из оригинала 26 апреля 2015 г.
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь )