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
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UCN - Institut für Kernchemie