Ny rekord ved ultrakold neutronkilde i Mainz

For cirka 10 år siden, Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) gik ind på et nyt forskningsfelt ved at begynde at generere ultrakølede neutroner (UCN) til brug i grundforskning i fysik. De deltagende fysikere og kemikere rapporterer nu endnu et stort gennembrud. De har været i stand til at øge UCN -udbyttet af deres kilde med en faktor 3,5. Det betyder, at forudsætningerne nu er på plads for at begynde de mere følsomme målinger, der kræves for at bestemme levetiden for den frie neutron.

Neutroner findes normalt ikke i fri tilstand, men er i stedet bundet som neutrale partikler i atomkernen. Frie neutroner er ustabile og henfalder med en levetid på cirka 15 minutter. TRIGA Mainz forskningsreaktoren kan generere termiske neutroner, hvilken, engang bragt i kontakt med fast deuterium ved omtrent minus 270 grader Celsius, sænkes, så de kører med cirka fem meter i sekundet. Med denne hastighed, gratis neutroner kan lagres og bruges i forsøg. Forskere, der er involveret i grundforskning, er særligt interesserede i at bestemme egenskaberne af disse frie neutroner, især deres levetid og elektrisk dipolmoment, ved hjælp af meget nøjagtige målinger. Disse er for nylig blevet suppleret med eksperimenter for at bestemme neutronens elektriske ladning. "Den begrænsende faktor i alle disse eksperimenter og målinger er dikteret af densiteten af ​​ultrakølede neutroner, vi kan opnå, "forklarede professor Werner Heil, en af ​​forskerne ved UCN -anlægget ved Mainz University.

Forskere over hele verden udvikler i øjeblikket nye UCN -kilder. Mainz TRIGA -reaktoren kan generere neutroner i pulsmodusdrift, hvilket betyder, at reaktoren pulseres hvert femte minut og derved leverer en høj neutronstrøm. Efter deceleration af disse neutroner ved hjælp af en blok af fast deuterium, de føres gennem en neutronguide, ligner et fiberoptisk kabel, til brug i forsøg uden for reaktorens biologiske skjold. Udover kildeopgraderingen, infrastrukturen er også blevet yderligere forbedret. Installationen af ​​en heliumflydende middel direkte på stedet giver en mere effektiv afkøling af deuteriumkrystal og skaber fremragende betingelser for at eksperimenter kan køres over lange tidsperioder. Neutronerne fra reaktoren transporteres til forsøgsstedet via elektropolerede rør af rustfrit stål med en ekstremt glat indre overflade, der forhindrer neutron tab. Disse rørvægge har nu modtaget en ny belægning af en nikkel-58-molybdænlegering for yderligere at forbedre deres ydeevne.

Det er lykkedes forskerne at lagre 8,5 UCN pr. Kubikcentimeter. "Sammenlignet med vores tidligere resultater, vi var i stand til at øge UCN -udbyttet med en faktor 3,5, "sagde professor Norbert Trautmann fra JGU Institute of Nuclear Chemistry. Det anvendte lagerskib var en standardiseret cylinder i rustfrit stål, specielt leveret af Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz til normerede målinger. Dette fartøj, der bruges til en sammenlignende undersøgelse af ultrakoldne neutronkilder i drift, har et volumen på 32 liter, hvilket svarer til typiske lagerskibe til UCN -forsøg. Denne opsætning betragtes generelt som den mest pålidelige måde at foretage de tilsvarende målinger på. En tæthed på 8,5 UCN pr. Kubikcentimeter sætter Mainz i Premier League i denne henseende. "Vi er nu fuldt konkurrencedygtige med verdens førende institutter på området, "sagde Heil.

"Den øgede UCN -tæthed er særlig vigtig for livstidsforsøg, som snart skal starte, "sagde professor Tobias Reich, leder af JGU Institute of Nuclear Chemistry, som rummer TRIGA -reaktoren.

Takket være den forbedrede ydeevne, forskerne er sikre på at opnå en forbedret eksperimentkvalitet på meget kortere tid. Nøjagtig bestemmelse af den frie neutrons levetid er af stor interesse, fordi de to almindeligt anvendte metoder, dvs. lagring af UCN i materialeskibe og neutronstråle -metoden, der bruges til at detektere henfaldsprodukter (protoner) under flyvning, give forskellige resultater. Dette kan skyldes enten ikke -genkendte systematiske fejl eller mulige eksotiske henfaldskanaler, en indikator for fysik ud over standardmodellen.

UCN -målingerne blev udført ved hjælp af strålerør D fra TRIGA Mainz. Denne kilde drives hovedsageligt i pulsmodus og er også tilgængelig for eksterne brugere. "Til fremtidige forsøg såsom levetidsmålinger, vi vil være i stand til at udnytte kilden i dobbeltskiftedrift i tre uger fra 8:00 til midnat, "tilføjede Dr. Christopher Geppert, leder af TRIGA Mainz.