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


17
Показать комментарии (17)
Свернуть комментарии (17)

  • seasea  | 27.10.2008 | 11:40 Ответить
    Что означает фраза "недостаточно точное знание времени жизни нейтрона"? Ведь время жизни - вероятностная величина, описать ее можно неким статистическим законом, а не конкретным числом секунд.
    Ответить
    • spark > seasea | 27.10.2008 | 12:21 Ответить
      Время жизни -- это по определению то число (tau), которое стоит в экспоненте N = N0*exp(-t/tau). По-моему, это определение проходят чуть ли не в школе, в крайнем случае на первых курсах ВУЗа.
      Ответить
      • seasea > spark | 27.10.2008 | 12:57 Ответить
        Насколько я понял, речь идет об одном нейтроне. Никакого N0 там нет. Точнее, N0=1.
        ...нейтрон распадается в среднем за 886 секунд...
        А что, если получится 886,345345345... секунд, это сильно поможет в понимании природы слабых взаимодействий?
        Ответить
        • spark > seasea | 27.10.2008 | 13:45 Ответить
          Знаете, в магазинах тоже пишут: "Рыба свежая, 100 руб./кг". Вы же не считаете, что там продается только одна рыбина?

          Я думаю, Вы прекрасно понимаете, о чем и тут идет речь.
          Ответить
          • seasea > spark | 27.10.2008 | 18:20 Ответить
            Время жизни для килограмма нейтронов :-)) Что интересного это может дать?
            Ответить
  • PavelS  | 27.10.2008 | 19:59 Ответить
    Для общего понимания новизны: с какой точностью сейчас известно время жизни нейтрона, и во сколько раз они планируют повысить эту точность?
    Ответить
    • spark > PavelS | 27.10.2008 | 20:52 Ответить
      Там ситуация забавная.

      До недавнего времени все новые эксперименты примерно подтверждали старые результаты, слегка их уточняя. Усреднение по этим экспериментам дало 885.7 +/- 0.8 сек. Однако в 2005 году было произведено новое измерение, которое дало результат 878.5 +/- 0.7 +/- 0.3 сек. Это на 6,5 стандартных отклонений отличается от среднего. В чем тут проблема -- неясно. Данные см. на страничке http://pdglive.lbl.gov/popupblockdata.brl?nodein=S017T&inscript=Y&fsizein=1

      Я не могу найти готовое число, с которым они собираются измерить время жизни в новом эксперименте. Но судя по косвенным данным, речь идет об относительной погрешности порядка 10^(-4), т.е. +/- 0,1 сек.

      По поводу важности времени жизни нейтрона для нуклеосинтеза см. статью http://arxiv.org/abs/astro-ph/0408523 , правда она появилась еще до эксперимента 2005 года.

      А вот еще обзор по фундаментальной физике нейтронов: http://inpp.ohiou.edu/~inpp/nuclear_lunch/archive/2006/nico-snow.pdf
      Ответить
      • voix > spark | 27.10.2008 | 21:43 Ответить
        Влияние на распад нейтрона солнечных нейтрино :)?
        http://elementy.ru/blogs/users/voix/30600/
        Ответить
  • dims  | 29.10.2008 | 22:40 Ответить
    Интересно, а можно ли пощупать (буквально) нейтроны, которые хранятся в сосуде? Что будет? Замёрзнешь? Или заболеешь лучевой болезнью? На что похожи нейтроны из сосуда? На газ?
    Ответить
    • spark > dims | 31.10.2008 | 10:01 Ответить
      Их там очень мало, так что ничего не ощутите. Но их можно -- гипотетически -- набрать много, тогда да, рука замерзнет, а нейтроны наоборот нагреются. Перестав быть ультрахолодными, они уже начнут входить в вещество, так что эффект будет как облучения тепловыми нейтронами. Если же, опять же, гипотетически сделать суперизолизующую перчатку, то засунув руку в контейнер с ультрахолодными нейтронами, вы просто почувствуете давление газа. Правда, скорее всего вы и тут получите дозу облучения из-за распада нейтронов.
      Ответить
  • PavelS  | 02.11.2008 | 03:53 Ответить
    Идут ли реакции слияния нейтронов в ультрохолодном состоянии?
    Ответить
    • spark > PavelS | 03.11.2008 | 15:18 Ответить
      Теоретически -- да, но с очень малой вероятностью. Ведь процесс n+n->d+e+nu идет за счет того же слабого взаимодействия, что и распад нейтрона, но только тут ему надо встретиться с другим нейтроном. При плотности много меньше ядерной этот процесс будет идти намного медленней, чем просто распад.
      Ответить
      • PavelS > spark | 05.11.2008 | 01:45 Ответить
        Меня больше интересовал процесс, на выходе дающий бинейтрон, который уже потом через большое время совершает бета-распад (интересно только, как тут сбросить энергию - тут надо учесть что всё не в абсолютной пустоте). Т.е. интересовали холодные бинейтроны и возможно ли такое в принципе.
        Ответить
        • spark > PavelS | 05.11.2008 | 11:15 Ответить
          Так ведь два нейтрона не образуют связанного состояния.
          Ответить
          • PavelS > spark | 05.11.2008 | 19:46 Ответить
            Вот о проверке этого тезиса и была суть вопроса. :)

            Тезис мягко говоря не очевидный для неспециалиста. На уровне интуитивно-бытовой логики нейтроны должны "притягиваться", а т.к. нет отталкивания - слипаться все и сразу в 1 комок, образуя сколь угодно тяжелое ядро (которое потом будет бета-радиоактивным, но это уже детали). Такая логика к примеру не позволяет интуитивно просто понять, почему альфа-частица не "притягивает" нейтроны с образованием гелий-5 - т.е. эта логика конечно же заведомо ущербная в своей простоте, т.к. явно игнорирует все квантовые эффекты.
            Ответить
            • spark > PavelS | 05.11.2008 | 23:14 Ответить
              Так это не тезис, а экспериментальный факт, он проверен в опытах по рассеянию нейтронов (или дейтронов) на легких ядрах.

              Для неспециалиста конечно неочевиден. Так же как неочевидно то, что при нормальном давлении и нулевой температуре гелий не затвердевает. Эти два явления -- одного происхождения. Да, конечно, между нейтронами есть притяжение. Но в квантовой механике доказывается, что связанные состояния существуют (в трехмерном пространстве) не при любом притяжении, а лишь при притяжении сильнее некоторого предела. Нейтрон-нейтронное притяжение чуть-чуть до этого предела не дотягивает.
              Ответить
  • Archanfel  | 28.11.2008 | 16:34 Ответить
    Хотелось бы узнать, произойдет ли сублимация ультрахолодных нейтронов при их дальнейшем охлаждении? [Или быть может в неком диапазоне температур даже существует промежуточное жидкое состояние!?] И еще как проявит себя слабое взаимодействие в такой нестандартной ситуации, ведь в конденсированном состоянии плотность должна будет быть порядка ядерной, ибо электронов нет. Что говорит теория?
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»