Ультрахолодные нейтроны

Наука с нейтронами

Фонды
Температура нейтронов Поток · Радиация · Транспорт Поперечное сечение · Поглощение · Активация
Рассеяние нейтронов
Нейтронная дифракция Малоугловое рассеяние нейтронов ГИСАНЫ Рефлектометрия Неупругое рассеяние нейтронов Трехосевой спектрометр Времяпролетный спектрометр Спектрометр обратного рассеяния Спектрометр спинового эха
Другие приложения
Нейтронная томография Анализ активации · Оперативный анализ гамма-активации Фундаментальные исследования с нейтронами : Ультрахолодные нейтроны · Интерферометрия. Терапия быстрыми нейтронами Нейтронно-захватная терапия
Инфраструктура
Источники нейтронов : Исследовательский реактор · Расщепление · Замедлитель нейтронов. Нейтронная оптика : Отражатель · Проводник · Суперзеркало · Поляризатор. Обнаружение
Нейтронные объекты
Америка: HFIR · LANSCE · NIST CNR - SNS Австралия: OPAL Азия: J-PARC · HANARO Европа: BER II · FRM II · ILL · Нейтронный и мюонный источник ISIS · ОИЯИ · LLB · PINS · SINQ Исторический: IPNS · HFBR В стадии строительства: ESS
v т е

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

Свойства [ править ]

Отражение вызвано когерентным сильным взаимодействием нейтрона с атомными ядрами. Его можно квантово-механически описать эффективным потенциалом, 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 нейтронно-оптический потенциал большинства материалов ниже 300 нэВ, кинетическая энергия падающих нейтронов не должна быть выше этого значения, чтобы они отражались 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.

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

Магнитный момент нейтрона, производимый его спина , взаимодействует с магнитными полями. Полная энергия изменяется на ~ 60 нэВ / Тл.

История [ править ]

Именно Энрико Ферми 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 будет полное отражение нейтронов, достаточно медленных и падающих на поверхность под углом. Этот эффект экспериментально продемонстрировали Ферми и Уолтер Генри Зинн ^[2], а также Ферми и Леона Маршалл. ^[3] Хранение нейтронов с очень низкой кинетической энергией было предсказано Яковом Борисовичем Зельдовичем ^[4] и экспериментально реализовано одновременно группами в Дубне ^[5] иМюнхен . ^[6]

Производство УХН [ править ]

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

Использование горизонтальной откачиваемой трубки из реактора, изогнутой так, чтобы весь УХН, кроме УХН, мог поглощаться стенками трубки до того, как достигнет детектора. ^[5]
Нейтроны, транспортируемые из реактора по вертикальному откачиваемому каналу длиной около 11 метров, замедляются под действием силы тяжести, поэтому только те, которые обладают ультрахолодной энергией, могут достичь детектора в верхней части трубки. ^[6]
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]

Отражающие материалы [ править ]

Материал:	V _F^[9]	v _C^[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
Алмазный	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	0 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 материалов, отражающих УХН, включая высоту нейтронно-оптического потенциала ( V _F ) и соответствующую критическую скорость ( v _C ). Высота нейтронно-оптического потенциала зависит от изотопа. Наибольшее известное значение V _F измерено для ⁵⁸ Ni: 335 нэВ (v _C = 8,14 м / с). Он определяет верхний предел диапазона кинетической энергии УХН.

Наиболее широко используемые материалы для покрытия стен из УХН - это бериллий , оксид бериллия , никель (включая ⁵⁸ 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 могут привести к деполяризации таких нейтронов при отражении. Если материал намагничен , нейтронно-оптический потенциал различен для двух поляризаций, что вызвано

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

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

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}}} }

которая 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 от 10 ^-4 до 10 ^-3 .

Эксперименты с UCN [ править ]

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 [ править ]

Сегодня в мире среднее значение для жизни нейтрона , ^[11] , к которому эксперимент Arzumanov и др. ^[12] вносит наибольший вклад. Ref. ^[12] измерено при хранении УХН в бутылке с материалом, покрытой маслом Фомблина . Использование ловушек с различным соотношением поверхности к объему позволило им отделить друг от друга время распада хранения и время жизни нейтрона. Есть еще один результат, с еще меньшей неопределенностью, но не включенный в средний мировой показатель. Он был получен Серебровым и др. ^[13], которые обнаружили . Таким образом, два наиболее точных измеренных значения отклоняются на 5,6 σ. ${\ displaystyle 885.7 \ pm 0.8 \, {\ mathrm {s}} \,}$ $\tau _{n}=885.4\pm 0.9_{\mathrm {stat} }\pm 0.4_{\mathrm {syst} }\,{\mathrm {s} }\,$ $878.5~\pm 0.7_{\mathrm {stat} }\pm 0.4_{\mathrm {syst} }\,{\mathrm {s} }\,$

Измерение электрического дипольного момента нейтрона [ править ]

Нейтронов электрический дипольный момент (nEDM) является мерой для 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 [ править ]

Физики впервые наблюдали квантованные состояния вещества под действием силы тяжести. Валерий Несвижевский из Института Лауэ-Ланжевена и его коллеги обнаружили, что холодные нейтроны, движущиеся в гравитационном поле , не движутся 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, согласно которому различные массы ускоряются с одинаковой скоростью в гравитационном поле (В. Несвижевский и др., 2001 Nature 415 297). ОКНА спектроскопия используется для предельных сценариев , включая темную энергию , хамелеон полей , ^[14] и новый короткий диапазонсилы . ^[15]

Измерение времени нейтронно-антинейтронной осцилляции [ править ]

Измерение A-коэффициента корреляции бета-распада нейтрона [ править ]

Первое зарегистрированное измерение бета-асимметрии с использованием UCN было проведено группой в Лос-Аламосе в 2009 году. ^[16] Группа LANSCE опубликовала точные измерения с поляризованной UCN в следующем году. ^[17] Дальнейшие измерения этих и других групп привели к текущему среднемировому показателю: ^[18]

A_{0}=-0.1184\pm 0.0010

Ссылки [ править ]

^ Э. Ферми, Ricerca Scientifica 7 (1936) 13
↑ Анонимный (1946). «Протокол собрания в Чикаго, 20-22 июня 1946 г.». Физический обзор . 70 (1-2): 99. Полномочный код : 1946PhRv ... 70 ... 99. . DOI : 10.1103 / PhysRev.70.99 .
^ 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 .
↑ Зельдович, Я.Б. (1959). «Хранение холодных нейтронов». Советский физический журнал экспериментальной и теоретической физики . 9 : 1389.
^ а б В. Лушиков и др. , Сов. Phys. JETP Lett. 9 (1969) 23
^ a b Steyerl, A. (1969). «Измерения полных сечений для очень медленных нейтронов со скоростями от 100 м / сек до 5 м / сек». Физика Письма Б . 29 (1): 33–35. Bibcode : 1969PhLB ... 29 ... 33S . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (69) 90127-0 .
^ А. Штейерл; Х. Нагель; Ф.-Х. Шрайбер; К.-А. Штайнхаузер; Р. Гелер; W. Gläser; П. Аджерон; JM Astruc; W. Drexel; Дж. Жерве и В. Мампе (1986). «Новый источник холодных и ультрахолодных нейтронов» . Phys. Lett. . 116 (7): 347–352. DOI : 10.1016 / 0375-9601 (86) 90587-6 .
^ Стефан Дёге; Юрген Хингерл и Кристоф Моркель (февраль 2020 г.). "Измеренные спектры скорости и плотности нейтронов в портах пучка ультрахолодных нейтронов PF2 в Институте Лауэ – Ланжевена" . Nucl. Instrum. Meth. . 953 : 163112. arXiv : 2001.04538 . Bibcode : 2020NIMPA.95363112D . DOI : 10.1016 / j.nima.2019.163112 .
^ Р. Голуб, Д. Ричардсон, С. К. Ламоро, Ультра-холодные нейтроны , Адам Хильгер (1991), Бристоль
^ а б В.К. Игнатович, Физика ультрахолодных нейтронов , Clarendon Press (1990), Оксфорд, Великобритания
^ аль, WM Яо; 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 выпуска 2008 г. (URL: http://pdg.lbl.gov )
^ а б 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». Физика Письма Б . Elsevier BV. 483 (1–3): 15–22. DOI : 10.1016 / s0370-2693 (00) 00579-7 . ISSN 0370-2693 .
^ 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» . Физика Письма Б . Elsevier BV. 605 (1–2): 72–78. DOI : 10.1016 / j.physletb.2004.11.013 . ISSN 0370-2693 . PMC 4852839 .
^ Jenke, T .; Cronenberg, G .; Burgdörfer, J .; Чижова, Л.А.; Geltenbort, P .; Иванов, АН; Лауэр, Т .; Линс, Т .; Rotter, S .; Saul, H .; Schmidt, U .; Абеле, Х. (16 апреля 2014 г.). «Спектроскопия гравитационного резонанса 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 .
^ Kamiya, Y .; Итагаки, К .; Tani, M .; Ким, GN; 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 .
^ Пэтти, RW; Anaya, J .; Назад, HO; Boissevain, JG; Боулз, TJ; Broussard, LJ; Carr, R .; Кларк, диджей; Currie, S .; Du, S .; Филиппоне, BW; Geltenbort, P .; García, A .; Hawari, A .; Хикерсон, КП; Hill, R .; Хино, М .; Hoedl, SA; Hogan, GE; Холли, штат АТ; Ито, ТМ; Kawai, T .; Кирх, К .; Китагаки, S .; Ламоро, СК; Liu, C.-Y .; Liu, J .; Makela, M .; Маммей, Р.Р .; и другие. (5 января 2009 г.). «Первое измерение нейтронной β-асимметрии 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 .
^ Лю, J .; Менденхолл, член парламента; Холли, штат АТ; Назад, HO; Боулз, TJ; Broussard, LJ; Carr, R .; Clayton, S .; Currie, S .; Филиппоне, BW; García, A .; Geltenbort, P .; Хикерсон, КП; Hoagland, J .; Hogan, GE; Hona, B .; Ито, ТМ; Liu, C.-Y .; Makela, M .; Маммей, Р.Р .; Мартин, JW; Melconian, D .; Моррис, CL; Патти, RW; Перес Гальван, А .; Питт, ML; Гипс, Б .; Ramsey, JC; 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 .
^ KA Olive et al. (Группа данных по частицам) (2014). «e− ПАРАМЕТР АСИММЕТРИИ A» . Архивировано из оригинала на 2015-04-26. Cite journal requires |journal= (help)

[1] Э. Ферми, Ricerca Scientifica 7 (1936) 13

[2] Анонимный (1946). «Протокол собрания в Чикаго, 20-22 июня 1946 г.». Физический обзор . 70 (1-2): 99. Полномочный 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.

[lushikov-5] а б В. Лушиков и др. , Сов. Phys. JETP Lett. 9 (1969) 23

[steyerl-6] Steyerl, A. (1969). «Измерения полных сечений для очень медленных нейтронов со скоростями от 100 м / сек до 5 м / сек». Физика Письма Б . 29 (1): 33–35. Bibcode : 1969PhLB ... 29 ... 33S . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (69) 90127-0 .

[turbineconstruction-7] А. Штейерл; Х. Нагель; Ф.-Х. Шрайбер; К.-А. Штайнхаузер; Р. Гелер; W. Gläser; П. Аджерон; JM Astruc; W. Drexel; Дж. Жерве и В. Мампе (1986). «Новый источник холодных и ультрахолодных нейтронов» . Phys. Lett. . 116 (7): 347–352. DOI : 10.1016 / 0375-9601 (86) 90587-6 .

[turbinespectrum-8] Стефан Дёге; Юрген Хингерл и Кристоф Моркель (февраль 2020 г.). "Измеренные спектры скорости и плотности нейтронов в портах пучка ультрахолодных нейтронов PF2 в Институте Лауэ – Ланжевена" . Nucl. Instrum. Meth. . 953 : 163112. arXiv : 2001.04538 . Bibcode : 2020NIMPA.95363112D . DOI : 10.1016 / j.nima.2019.163112 .

[golub-9] Р. Голуб, Д. Ричардсон, С. К. Ламоро, Ультра-холодные нейтроны , Адам Хильгер (1991), Бристоль

[ignatovich-10] а б В.К. Игнатович, Физика ультрахолодных нейтронов , Clarendon Press (1990), Оксфорд, Великобритания

[PDG-11] аль, WM Яо; 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 выпуска 2008 г. (URL: http://pdg.lbl.gov )

[arzumanov-12] а б 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». Физика Письма Б . 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.А. и другие. (2005). «Измерение времени жизни нейтрона с помощью гравитационной ловушки и низкотемпературного покрытия Фомблина» . Физика Письма Б . 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.; Geltenbort, P .; Иванов, АН; Лауэр, Т .; Линс, Т .; Rotter, S .; Saul, H .; Schmidt, U .; Абеле, Х. (16 апреля 2014 г.). «Спектроскопия гравитационного резонанса 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 .; Ким, GN; 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] Пэтти, RW; Anaya, J .; Назад, HO; Boissevain, JG; Боулз, TJ; Broussard, LJ; Carr, R .; Кларк, диджей; Currie, S .; Du, S .; Филиппоне, BW; Geltenbort, P .; García, A .; Hawari, A .; Хикерсон, КП; Hill, R .; Хино, М .; Hoedl, SA; Hogan, GE; Холли, штат АТ; Ито, ТМ; Kawai, T .; Кирх, К .; Китагаки, S .; Ламоро, СК; Liu, C.-Y .; Liu, J .; Makela, M .; Маммей, Р.Р .; и другие. (5 января 2009 г.). «Первое измерение нейтронной β-асимметрии 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] Лю, J .; Менденхолл, член парламента; Холли, штат АТ; Назад, HO; Боулз, TJ; Broussard, LJ; Carr, R .; Clayton, S .; Currie, S .; Филиппоне, BW; García, A .; Geltenbort, P .; Хикерсон, КП; Hoagland, J .; Hogan, GE; Hona, B .; Ито, ТМ; Liu, C.-Y .; Makela, M .; Маммей, Р.Р .; Мартин, JW; Melconian, D .; Моррис, CL; Патти, RW; Перес Гальван, А .; Питт, ML; Гипс, Б .; Ramsey, JC; 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] KA Olive et al. (Группа данных по частицам) (2014). «e− ПАРАМЕТР АСИММЕТРИИ A» . Архивировано из оригинала на 2015-04-26. Cite journal requires |journal= (help)