UCN - Institut für Kernchemie
Werbung
Physik mit Ultrakalten Neutronen Ein neues Forschungsgebiet an der JGU Mainz Universität Mainz, Institut für Kernchemie - Was sind ultrakalte Neutronen? - Wechselwirkungen von Neutronen - Erzeugung von ultrakalten Neutronen - Experimente mit ultrakalten Neutronen Was sind ultrakalte Neutronen (UCN)? Freie Neutronen Geschwindigkeit < 7m/s Energie < 250 neV Gravitation Wellenlänge∼ 1000 Å Temperatur ∼ mK Magnetische Felder ΔEn = 60 ΔEn = 100 UCN können gespeichert werden in neV/T neV/m Gravitations- und magnetischen Feldern, sowie zwischen Materialwänden StarkeV (neV) Aluminium 54 Wechselwirkung Nickel 350 Material 58 nat. Nickel 250 Beryllium 250 C - Graphite 180 C - DLC 282 C - Diamant 304 SiO2 (Quartz) 110 Kupfer 170 Edelstahl 188 220 VEisen < 350 neV Neutronenstreuung Streuung von Neutronen an Kernen (Fermi) -> Behandlung mit einem effektiven Potential Fermi: Einführen eines Pseudopotentials Ersetze tiefes Kernpotential mit Reichweite R -> flaches Pseudopotential mit Reichweite ρ >> R Störungsrechnung (1. Bornsche Näherung) möglich Effektives Potential U m: Neutronenmasse N: Teilchenzahldichte a: kohärente Streulänge σabs: Absorptionsquerschnitt v: Neutronengeschwindigkeit Effektives Potential U=V: Berechnung von UCN-Reflektion mittels Quantenmechanik (Potentialtöpfe) UCN-Amplitude dringt endlich tief in Material ein Erweiterung auf Absorption: U = V – i W UCN-Reflektion am Beispiel Nickel EUCN < V -> Reflektivität nahe bei 100% EUCN > V -> Reflektivität geht gegen 0 Erzeugung von UCN – am ILL in Grenoble Forschungsreaktor ILL (Institut Laue Langevin) Thermische Leistung: 54 Megawatt max. Neutronenfluss: 1015 n /cm2 s (thermisch, v=2200 m/s) Zwei kalte Quellen: Remoderation der thermischen Neutronen auf niedrigere Geschwindigkeit Kalte Quelle, Neutronenextraktion, UCN-Turbine Kalte Quelle (20 Liter Deuterium bei 25 K): Vertikale Extraktion von Neutronen mit v = 50 m/s (very-cold neutrons, VCN) zur UCN-Turbine UCN-Turbine Abbremsen von Very-Cold neutrons (VCN, v=50 m/s) mittels elastischer Stöße an Turbinenschaufeln (Nickel) zu ultrakalten Neutronen (UCN, v<10 m/s) Zerfall des Neutrons Zerfall über die schwache Wechselwirkung Zahlreiche Observablen im Neutronenzerfall, z.B. Lebensdauer τn, Paritätsverletzung (Koeffizient A) Zerfallsschema des Neutrons ΔI=0 ΔI=1 Zwei Zerfallswege (interferierend) Fermi-Übergang, paritätserhaltend, ΔI=0, Kopplung gv Gamov-Teller-Übergang, p-verletzend, ΔI=1, Kopplung ga Ein Kopplungsparameter: λ=ga/gv Neutronenlebensdauer p νe Naturkonstanten e- W -- QuarkMischung n Prozesse mit ähnlichen Feynman-Graphen e n n + νe Schwache Wechselwirkung e + - Primordiale Elementsynthese Zusammenhang Lebensdauer τn , λ und Vud stehen im W+ W+ Feynman-Graph des N-Zerfalls ist analog zu anderen, - Neutronensterne wichtigen Prozessen der schwachen Wechselwirkung ν p e Neutrino Detektoren p - W, Z Produktion Solarer pp Zyklus Problem mit der Neutronenlebensdauer PDG: Particle Data Group Messungen und Ergebnisse, die ab 2010 von der PDG berücksichtigt werden, drücken Lebensdauer τn nach unten 2013: Mehr als 6 σ Abweichung vom Wert 2010 Bestimmung von Vud aus Daten des N-Zerfalls Problem: Je kleiner die N-Lebensdauer τn, je größer der daraus abgeleitete Wert für Vud und damit die Abweichung von Vud Werten aus anderen Messungen Der Urknall des Universums und die Neutronenlebensdauer Die ersten drei Minuten Neutronen Protonen Die ersten drei Minuten Gleichgewicht Neutronen Protonen Nach drei Minuten: n/p=1/7 -> Primordiale Nukleosynthese: n und p verschmelzen zu 4He, freie p bleiben als Wasserstoff übrig Helium (25%) Wasserstoff (75%) N-Lebensdauer τn hat großen Einfluss auf das Verhältnis Helium/Wasserstoff. Wäre τn z.B. viel kleiner, gäbe es mehr Wasserstoff im heutigen Universum Ein Messprinzip zur N-Lebensdauer UCN Speichervolumen UCN Quelle Eingangsleiter Verschluss 1. Befüllen 2. Speichern 3. Zählen Verschluss Ausgangsleiter UCN Detektor Speicherkurve und Speicherzeit Prinzip dieser Messmethode: Counting the survivors Idealfall: Gemessene Speicherzeit = N-Lebensdauer τn Problem: Gemessene Speicherzeit ist immer beeinflusst von anderen Verlustkanälen (z.B. Absorption) und damit kleiner als τn Beispiel: MAMBO-I Experimentaufbau -variables Speichervolumen - Breite 40 cm, Höhe 30 cm -Länge 10..70 cm -Wände: Fomblin-Beschichtung (wasserstofffreier Polyether aus C4F12O, „flüssiges Teflon“) - Wandpotential Fomblin: 100 neV Prinzip der Messmethode: Speichern von UCN in veränderlichem Speichervolumen. Dadurch Veränderung der freien Weglänge der UCN, Extra-polation der Speicherzeit auf Unendlich, also auf Absorption = 0 Beispiel: MAMBO-I Messung der Speicherzeit bei kleinen und bei großen Volumen, Auftragen inverser Werte von Speicherzeit und freier Weglänge (⏏Volumen) Beispiel: MAMBO-I Extrapolation der Daten auf unendliches Volumen -> Schnittpunkt mit y-Achse = N-Lebensdauer τn zur Erinnerung Neutronenzerfall A Electron Neutron Spin Für Bestimmung von Vud: Neben τn wird noch λ benötigt -> Messung aus der Paritätsverletzung im N-Zerfall (Koeffizient A, Elektronenasymmetrie, Wu-Experiment) UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN Trick: starkes Magnetfeld polarisiert Neutronen, lässt Elektronen auf Spiralbahnen gyrieren. Messung der e- Zählrate (N↑,N↓) in zwei Detektoren Bestimmung der Asymmetrie in den Zählraten UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN Bestimmung der Asymmetrie in den Zählraten A = v/c ŸA0,exp Bestimmung von λ aus A zur Erinnerung Elektrisches Dipolmoment des Neutrons Antimatter Matter Kochrezept für Materie-Antimaterie Asymmetrie (Sacharov-Theorem) - Verletzung Baryonenzahl um ΔB - CP (damit auch T) Verletzung - Thermisches Ungleichgewicht ☛ Suche nach permanenten elektrischen Dipolmomenten von Atomen, Elektron, Muon, Neutron (nEDM) Momentane Situation nEDM Zeitumkehr Symmetrieverletzung Fünf Größenordnungen für neue Physik! Über Symmetrien Eine Analogie zum CPT-Theorem Reliefpfeiler Spiegelung Rotation Reliefpfeiler reliefpfeileR Analogie: Unter der kombinierten Symmetrietransformation C(harge), P(arity) und Translation T(ime) wird jedes physikalische System wieder in den Ausgangszustand zurückgespiegelt Das nEDM-Experiment am ILL Experiment: Im Vakuum, bei Raumtemperatur, B-Feld = 1μT, Schildfaktor (Mu-Metall) = 10.000, E-Feld = 10 kV/cm Speicherung polarisierter UCN, Messung der Lamorfrequenz von Neutronen im kombinierten E,B-Feld Prinzip der Messung Vergleich zweier „Uhren“: Lamorpäzession ν der UCN im B0-Feld und äußere Oszillationsfrequenz, die zweimal einen π/2 Spinflip bewirkt. Ist UCN-Lamorpräzession wegen eines nEDM schneller/langsamer (um δν), laufen beide Uhren aus der Phase -> UCN werden depolarisiert Ramsey-Resonanzkurve Messung der UCN-Lamorfrequenz mittels Durchfahren der äußeren Oszillationsfrequenz. Ein nEDM würde Änderung der Lamorfrequenz bewirken, messbar am steilsten Punkt der Resonanz (Arbeitspunkte, s.o.) Das nEDM im Laufe der Zeit Suche nach einem nEDM seit über 50 Jahren hat bisher viele Theorien und Hypothesen zu Erweiterungen des Standardmodells widerlegt H. Abele Aktuelle Fragen der Astroteilchenphysik Zusammensetzung des Universums Wir kennen nur 4% des Universums. Neue Wege zur UCN-Erzeugung Inelastische Neutronstreuung und Energieverlust in superthermischen Medien (Konverter) Akkumulation von UCN im Konverter Helium-4 n Deuterium Superthermisch heisst : Neutronen und Konverter stehen Premoderator nicht im thermischen Gleichgewicht Prinzipiell erreichbare UCN-Dichten >>100 / cm3 UCN n Solid deuterium 5K & 97.5 % ortho D2 Neue Wege zur UCN-Erzeugung UCN am TRIGA Mainz In Betrieb seit 1965 100 kW im Dauerbetrieb 250 MW im Pulsmodus Reaktorpuls: 4 x 1015 n cm-2s-1 30 ms, 12 Pulse/Stunde TRIGA Pulsmodus + superthermische UCN-Quelle + UCN Speicherexperiment ---------------------------------------☛ Ideale Kombination UCN am TRIGA Mainz Fester Wasserstoff Festes Deuterium Temperatur -250 -270 °C °C Temperatur UCN-Speicher Kalte Neutronen Ultrakalte Neutronen Schnelle < 10 m/s Neutronen v = 1000vm/s Experiment 3m TRIGA-Puls UCN-Quelle Pulsbarkeit des Reaktors (möglich alle 5 Minuten) Befüllen des UCN-Speichers (im Experiment alle 5-30 Minuten) UCN-Physik am TRIGA Mainz In dieser Kombination weltweit einzigartig UCN am TRIGA Mainz TRIGAspec UCN Quelle D SpeicherExperimente UCN Quelle C Strahl- und Speicherexperimente UCN am TRIGA Mainz
