UCN - Institut für Kernchemie

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 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