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