Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Т. Дамур
«Мир по Эйнштейну». Глава из книги


Л. Франк
«Мой неповторимый геном». Глава из книги


В. Винниченко
Почему дельфины никогда не спят?



В память о Леониде Вениаминовиче Келдыше (07.04.1931–11.11.2016)


Н. Жизан
«Квантовая случайность». Глава из книги


Интервью с С. Ландо
Сергей Ландо: «Прорывы в математике плохо предсказуемы»


В. Гаврилов
Загадка зарянки


А. Левин
Астрономия темного


В. Мацарский
Бодался Чандра с сэром Артуром


О. Макаров
Секрет разделения







Главная / Новости науки версия для печати

Вступила в строй новая установка для экспериментов по фундаментальной нейтронной физике


Схема линии FNPB — нейтронного канала, на котором будут изучаться свойства нейтронов. Изображение с сайта neutrons.ornl.gov
Схема линии FNPB — нейтронного канала, на котором будут изучаться свойства нейтронов. Изображение с сайта neutrons.ornl.gov

В исследовательском центре Spallation Neutron Source в Окриджской национальной лаборатории запущена линия, на которой вскоре начнутся эксперименты по фундаментальной нейтронной физике. Их результаты будут важны для ядерной физики, физики элементарных частиц и для астрофизики.

В начале октября в Окриджской национальной лаборатории (США) состоялось примечательное событие. На установке Spallation Neutron Source вступила в строй еще одна экспериментальная линия, целиком посвященная фундаментальной нейтронной физике. В ближайшие годы на ней стартуют несколько экспериментов по изучению свойств нейтронов, которые расширят наши знания в ядерной физике, в физике элементарных частиц и в астрофизике.

Вообще говоря, в нейтронной физике сейчас доминируют прикладные направления исследований. Это новые диагностические методики (об одной из них мы писали в заметке Холодные нейтронные лучи прощупывают предметы, не внося никаких возмущений), применения в медицине, материаловедении и электронике, приложения, связанные с разработкой термоядерного реактора. Нейтронный генератор Spallation Neutron Source (SNS), запущенный в 2006 году, уже насчитывает несколько отдельных линий (всего их будет 18), по которым потоки холодных нейтронов отводятся от источника и используются для тех или иных прикладных исследований. В этих опытах используются холодные нейтроны, то есть нейтроны с энергиями в миллиэлектронвольтном диапазоне (что отвечает температуре порядка десятков кельвинов), благодаря чему они позволяют исследовать вещество, не разрушая его.

В отличие от этих экспериментов, новая линия доставки нейтронов, которая называется Fundamental Neutron Physics Beamline (FNPB), создана для нужд фундаментальной физики, для исследования самих нейтронов. Она состоит из двух каналов. По первому будет идти рекордный по интенсивности поток холодных нейтронов, а по второму будут подаваться специально отобранные нейтроны строго определенной энергии, равной примерно 1 мэВ. Такой энергии отвечает температура 12 К, или длина «нейтронной волны» 8,9 ангстрема, поэтому этот канал называется «8,9 Å beamline».

Особая роль нейтронов с такой энергией обусловлена тем, что, попав в сосуд со сверхтекучим гелием, они могут за одно столкновение потерять почти всю свою энергию и превратиться в так называемые ультрахолодные нейтроны, то есть нейтроны с энергией порядка долей микроэлектронвольта (температурой порядка милликельвина). Нейтроны с такими низкими энергиями уже не способны проникать в вещество, и поэтому их можно хранить в обычных контейнерах, а не в специальных магнитных бутылках. Многие эксперименты как раз требуется проводить с ультрахолодными нейтронами.

Программа научных исследований на FNPB

Вопросы, которые физики собираются изучать на этой установке, можно объединить в три группы:

  1. подробное изучение бета-распада нейтронов,
  2. изучение слабых взаимодействий между нуклонами,
  3. изучение природы CP-нарушения и поиск дипольного электрического момента нейтрона.

Бета-распад нейтрона

Свободный (то есть не связанный в ядре) нейтрон распадается в среднем за 886 секунд на протон, электрон и антинейтрино (впрочем, изредка этот распад сопровождается и излучением фотона). Этот процесс протекает за счет так называемого слабого взаимодействия, и, согласно Стандартной модели, он осуществляется посредством рождения и распада промежуточного W-бозона.

Нейтрон состоит из кварков udd, а протон — из кварков uud, поэтому на кварковом уровне распад нейтрона происходит так: один из d-кварков превращается в u-кварк c испусканием тяжелого W-бозона, который и порождает электрон-нейтринную пару. Время жизни нейтрона зависит от того, насколько эффективно u- и d-кварки «перетекают» друг в друга в слабых взаимодействия. Математически это перетекание описывается одним из чисел, стоящих в матрице Кабиббо—Кобаяши—Маскавы, за открытие которой, кстати, была присуждена Нобелевская премия по физике в этом году.

Именно эту константу связи между u- и d-кварками ученые и надеются измерить с высокой точностью. Узнав ее, можно будет проверить такое важнейшее свойство этой матрицы, как унитарность. Если унитарность не будет выполняться, то это будет означать, что в природе существуют новые, по какой-то причине еще не открытые частицы, с которыми связано слабое взаимодействие.

Уточнение времени жизни нейтрона будет иметь последствия также и для астрофизики — для понимания динамики нуклеосинтеза в ранней Вселенной. Это время определяет, какая доля первоначальных нейтронов успевает связаться в легкие ядра, то есть определяет процентное содержание водорода, дейтерия и гелия в молодой Вселенной. Именно недостаточно точное знание времени жизни нейтронов является сейчас главным источником неопределенностей в теории первичного нуклеосинтеза.

Слабые взаимодействия между нуклонами

Если время жизни свободного нейтрона более или менее известно, и новые эксперименты нацелены лишь на уточнение его значения, то слабые взаимодействия между нуклонами известны сейчас чрезвычайно плохо. Дело тут в том, что они действительно «слабые», и их трудно заметить на фоне доминирующих сильных ядерных взаимодействий.

В новых экспериментах физики собираются заметить проявления слабых взаимодействий с помощью своего рода «метки» — нарушения четности, то есть несимметричности процессов относительно отражения (замены «правого» и «левого»). Известно, что в сильных взаимодействия четность сохраняется, а слабых — нет. Поэтому такие эффекты, как несимметричность направления вылета фотона при объединении протона и нейтрона в дейтрон, позволят увидеть и измерить проявления слабых взаимодействий. Лучшее понимание слабых взаимодействий между нуклонами важно для теории устройства атомных ядер, в особенности тяжелых.

Электрический дипольный момент нейтрона

Вопросы из третьей группы важны как для астрофизики, так и для физики элементарных частиц. Они связаны с нарушением еще одной симметрии — комбинированной четности (CP-симметрии), то есть симметричности относительно зеркального отражения и одновременной замены частиц на античастицы. Непосвященному читателю этот выбор преобразований может показаться странным, но в теории элементарных частиц эта симметрия играет важнейшую роль (ее тоже описывает матрица Кабиббо—Кобаяши—Маскавы). Именно благодаря CP-нарушению во Вселенной в первые доли секунды появился дисбаланс между материей и антиматерией. Сейчас придумано уже множество теорий, описывающий возникновение этого дисбаланса, но какая из них верна, должен сказать эксперимент.

Среди предсказаний этих теорий одним из самых удобных для проверки является ненулевой электрический дипольный момент нейтрона. Вообще, электрический дипольный момент — это такая характеристика частицы, которая указывает на то, что положительный и отрицательный заряды распределены в частице не симметрично, а слегка смещены друг относительно друга. Это смещение, разумеется, несимметрично относительно отражения, поэтому за счет сильных взаимодействий оно возникнуть не может. Оно может возникать за счет стандартного слабого взаимодействия, но получается оно при этом чрезвычайно маленькое. Однако в ряде новых теорий электрический дипольный момент получается довольно большим, во много раз больше стандартного.

Именно на проверку таких теорий и нацелены эксперименты по поиску электрического дипольного момента нейтрона. Для этого на FNPB будет установлен специальный эксперимент — nEDM (neutron Electric Dipole Moment). Он сейчас находится в процессе подготовки, которую планируют завершить в 2010 году; о текущем состоянии работ см. доклад Plans for a Neutron EDM Experiment at SNS. Такой эксперимент будет выгодно дополнять исследования на Большом адронном коллайдере: и там, и тут физики будут искать отклонения от Стандартной модели, но если LHC «берет» высокой энергией, то nEDM — высокой чувствительностью.

Источники:
1) Spallation Neutron Source sends first neutrons to 'Big Bang' beam line — пресс-релиз Окриджской национальной лаборатории.
2) Очерк о программе фундаментальных нейтронных исследований на SNS.

См. также:
SNS Instrument System Beam Lines — структура линий доставки нейтронов и исследовательских проектов на SNS.

Игорь Иванов


Комментарии (17)



Последние новости: ФизикаИгорь Иванов

13.10
Ядерная материя близка к точке квантового фазового перехода
10.10
Нобелевская премия по физике — 2016
22.08
Наконец-то обнаружен аналог излучения Хокинга в холодном квантовом газе
17.08
Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона
12.08
ПК обогнал суперкомпьютеры в решении задачи трехчастичного рассеяния
05.08
Двухфотонный пик исчез в новых данных коллайдера
27.07
Рекордные по чувствительности эксперименты LUX и PandaX пока не поймали частицы темной материи
20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
27.04
Теоретики продолжают искать объяснения двухфотонному пику
01.04
Обнаружены коллективные эффекты в поведении физиков-теоретиков

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Индикатор», «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия