Physik mit Ultrakalten Neutronen Ein neues Forschungsgebiet an der JGU Mainz Universität Mainz, Institut für Kernchemie
Jan 31, 2016
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 Wellenlänge∼ 1000 ÅEnergie < 250 neV Temperatur ∼ mK
Gravitation
ΔEn = 100 neV/m
Magnetische Felder
ΔEn = 60 neV/T
Starke Wechselwirkung
V < 350 neVUCN können gespeichert werden inGravitations- und magnetischen
Feldern,sowie zwischen Materialwänden
Material V (neV)
Aluminium 54
58Nickel 350
nat. Nickel 250
Beryllium 250
C - Graphite 180
C - DLC 282
C - Diamant 304
SiO2 (Quartz) 110
Kupfer 170
Edelstahl 188
Eisen 220
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 >> RStörungsrechnung (1. Bornsche Näherung) möglich
Effektives Potential U
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
m: NeutronenmasseN: Teilchenzahldichtea: kohärente Streulänge
σabs: Absorptionsquerschnittv: Neutronengeschwindigkeit
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 WechselwirkungZahlreiche Observablen im Neutronenzerfall,
z.B. Lebensdauer τn, Paritätsverletzung (Koeffizient A)
Zerfallsschema des Neutrons
Zwei Zerfallswege (interferierend) Fermi-Übergang, paritätserhaltend, ΔI=0, Kopplung gv
Gamov-Teller-Übergang, p-verletzend, ΔI=1, Kopplung ga
Ein Kopplungsparameter: λ=ga/gv
ΔI=0
ΔI=1
e--νe
W ---
n
p
e+
νe
W +
p
n
W +
p
n e+νe
Neutrino Detektoren
Solarer pp Zyklus
Quark-Mischung
Schwache Wechselwirkung
Naturkonstanten
Prozesse mit ähnlichen Feynman-Graphen
- Primordiale Elementsynthese
- Neutronensterne
- W, Z Produktion
Neutronenlebensdauer
Lebensdauer τn , λ und Vud stehen im ZusammenhangFeynman-Graph des N-Zerfalls ist analog zu anderen, wichtigen Prozessen der schwachen Wechselwirkung
Problem mit der Neutronenlebensdauer
Messungen und Ergebnisse, die ab 2010 von der PDG berücksichtigt werden, drücken Lebensdauer τn nach
unten2013: Mehr als 6 σ Abweichung vom Wert 2010
PDG: Particle Data Group
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 NeutronenlebensdauerDer Urknall des Universums und die Neutronenlebensdauer
Die ersten drei MinutenDie ersten drei Minuten
Neutronen Protonen
Nach drei Minuten: n/p=1/7-> Primordiale Nukleosynthese: n und p verschmelzen
zu 4He, freie p bleiben als Wasserstoff übrig
Neutronen Protonen
Helium (25%) Wasserstoff (75%)
Die ersten drei MinutenDie ersten drei Minuten
Gleichgewicht
N-Lebensdauer τn hat großen Einfluss auf das Verhältnis Helium/Wasserstoff. Wäre τn z.B. viel kleiner, gäbe es mehr Wasserstoff im heutigen
Universum
3. Zählen
1. Befüllen
2. Speichern
UCN QuelleEingangsleiter
UCN Speichervolumen
Ausgangsleiter
Verschluss
Verschluss
UCN Detektor
Ein Messprinzip zur N-LebensdauerEin Messprinzip zur N-Lebensdauer
Speicherkurve und Speicherzeit
Prinzip dieser Messmethode: Counting the survivorsIdealfall: 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
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
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
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
Beispiel: MAMBO-I
zur Erinnerung
ElectronNeutron Spin
A
Neutronenzerfall
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 ZählratenA = v/c � A0,exp
Bestimmung von λ aus A
zur Erinnerung
MatterAntimatter
☛ Suche nach permanenten elektrischen Dipolmomenten von Atomen, Elektron, Muon, Neutron (nEDM)
Kochrezept fürMaterie-Antimaterie Asymmetrie
(Sacharov-Theorem)
- Verletzung Baryonenzahl um ΔB- CP (damit auch T) Verletzung- Thermisches Ungleichgewicht
Momentane Situation nEDM
Fünf Größenordnungen für neue Physik!
Zeitumkehr
Elektrisches Dipolmoment des Neutrons
Symmetrie-verletzung
R e l i e f p f e i l e r
Über SymmetrienEine Analogie zum CPT-Theorem
Über SymmetrienEine Analogie zum CPT-Theorem
r e l i e f p f e i l e RR e l i e f p f e i l e r
Spiegelung
Rotation
Translation
Analogie: Unter der kombinierten Symmetrietransformation C(harge), P(arity) und 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/cmSpeicherung 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.)
H. Abele
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
Aktuelle Fragen der AstroteilchenphysikAktuelle Fragen der Astroteilchenphysik
Zusammensetzung des Universums
Wir kennen nur 4%
des Universums.
UCN
Premoderator
Solid deuterium5K & 97.5 % ortho D2
n
n
Inelastische Neutronstreuung und Energieverlust in superthermischen Medien (Konverter)
Akkumulation von UCN im Konverter
Helium-4
Deuterium
Neue Wege zur UCN-Erzeugung
Superthermisch heisst : Neutronen und Konverter stehen nicht im thermischen Gleichgewicht
Prinzipiell erreichbare UCN-Dichten >>100 / cm3
Neue Wege zur UCN-Erzeugung
In Betrieb seit 1965100 kW im Dauerbetrieb250 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
UCN-QuelleTRIGA-Puls
Schnelle Neutronen
Ultrakalte Neutronenv < 10 m/s
Fester WasserstoffTemperatur -250 °C
Festes DeuteriumTemperatur -270 °C
3 m
Kalte Neutronenv = 1000 m/s
UCN-Speicher
Experiment
Pulsbarkeit des Reaktors (möglich alle 5 Minuten)
UCN-Physik am TRIGA Mainz
In dieser Kombination weltweit einzigartig
Befüllen des UCN-Speichers(im Experiment alle 5-30 Minuten)
UCN am TRIGA Mainz
TRIGAspec
UCN Quelle C
Strahl- und Speicher-
experimente
UCN Quelle D
Speicher- Experimente
UCN am TRIGA Mainz
UCN am TRIGA Mainz