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Physik mit Ultrakalten Neutronen Ein neues Forschungsgebiet an der JGU Mainz

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.

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Physik mit Ultrakalten Neutronen Ein neues Forschungsgebiet an der JGU Mainz

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Presentation Transcript

  1. Physik mit Ultrakalten Neutronen Ein neues Forschungsgebiet an der JGU Mainz Universität Mainz, Institut für Kernchemie

  2. - Was sind ultrakalte Neutronen? - Wechselwirkungen von Neutronen - Erzeugung von ultrakalten Neutronen - Experimente mit ultrakalten Neutronen

  3. Was sind ultrakalte Neutronen (UCN)? Freie Neutronen Geschwindigkeit < 7m/s Wellenlänge∼ 1000 Å Energie < 250 neV Temperatur ∼ mK UCN können gespeichert werden in Gravitations- und magnetischen Feldern, sowie zwischen Materialwänden Starke Wechselwirkung Magnetische Felder Gravitation ΔEn = 60 neV/T ΔEn = 100 neV/m V < 350 neV

  4. Neutronenstreuung Streuung von Neutronen an Kernen (Fermi) -> Behandlung mit einem effektiven Potential

  5. Fermi: Einführen eines Pseudopotentials Ersetze tiefes Kernpotential mit Reichweite R -> flaches Pseudopotential mit Reichweite ρ >> R Störungsrechnung (1. Bornsche Näherung) möglich

  6. 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 Effektives Potential U m: Neutronenmasse N: Teilchenzahldichte a: kohärente Streulänge σabs: Absorptionsquerschnitt v: Neutronengeschwindigkeit

  7. UCN-Reflektion am Beispiel Nickel EUCN < V -> Reflektivität nahe bei 100% EUCN > V -> Reflektivität geht gegen 0

  8. Erzeugung von UCN – am ILL in Grenoble

  9. 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

  10. 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

  11. 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)

  12. Zerfall des Neutrons Zerfall über die schwache Wechselwirkung Zahlreiche Observablen im Neutronenzerfall, z.B. Lebensdauer τn, Paritätsverletzung (Koeffizient A)

  13. 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

  14. Neutronenlebensdauer Lebensdauer τn , λ und Vud stehen im Zusammenhang Feynman-Graph des N-Zerfalls ist analog zu anderen, wichtigen Prozessen der schwachen Wechselwirkung Naturkonstanten νe e-- p W --- Quark-Mischung Schwache Wechselwirkung n Prozesse mit ähnlichen Feynman-Graphen e+ n n νe e+ - Primordiale Elementsynthese - Neutronensterne - W, Z Produktion W + W + p p νe Neutrino Detektoren Solarer pp Zyklus

  15. Messungen und Ergebnisse, die ab 2010 von der PDG berücksichtigt werden, drücken Lebensdauer τn nach unten 2013: Mehr als 6 σ Abweichung vom Wert 2010 Problem mit der Neutronenlebensdauer PDG: Particle Data Group

  16. 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 Bestimmung von Vud aus Daten des N-Zerfalls

  17. Der Urknall des Universums und die Neutronenlebensdauer

  18. Die ersten drei Minuten Neutronen Protonen

  19. Die ersten drei Minuten N-Lebensdauer τn hat großen Einfluss auf das Verhältnis Helium/Wasserstoff. Wäre τn z.B. viel kleiner, gäbe es mehr Wasserstoff im heutigen Universum Nach drei Minuten: n/p=1/7 -> Primordiale Nukleosynthese: n und p verschmelzen zu 4He, freie p bleiben als Wasserstoff übrig Gleichgewicht Protonen Neutronen Wasserstoff (75%) Helium (25%)

  20. Ein Messprinzip zur N-Lebensdauer UCN Speichervolumen Verschluss UCN Quelle 1. Befüllen Eingangsleiter 2. Speichern 3. Zählen Verschluss Ausgangsleiter UCN Detektor

  21. 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

  22. 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

  23. Beispiel: MAMBO-I Messung der Speicherzeit bei kleinen und bei großen Volumen, Auftragen inverser Werte von Speicherzeit und freier Weglänge (⏏Volumen)

  24. Beispiel: MAMBO-I Extrapolation der Daten auf unendliches Volumen -> Schnittpunkt mit y-Achse = N-Lebensdauer τn

  25. zur Erinnerung

  26. Neutronenzerfall A Für Bestimmung von Vud: Neben τn wird noch λ benötigt -> Messung aus der Paritätsverletzung im N-Zerfall (Koeffizient A, Elektronenasymmetrie, Wu-Experiment) Neutron Spin Electron

  27. 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

  28. UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN

  29. UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN Bestimmung der Asymmetrie in den Zählraten A = v/c Ÿ A0,exp Bestimmung von λ aus A

  30. zur Erinnerung

  31. Symmetrie- verletzung Zeitumkehr Elektrisches Dipolmoment des Neutrons Fünf Größenordnungen für neue Physik! Kochrezept für Materie-Antimaterie Asymmetrie (Sacharov-Theorem) - Verletzung Baryonenzahl um ΔB - CP (damit auch T) Verletzung - Thermisches Ungleichgewicht Antimatter Matter Momentane Situation nEDM ☛ Suche nach permanenten elektrischen Dipolmomenten von Atomen, Elektron, Muon, Neutron (nEDM)

  32. Über Symmetrien Eine Analogie zum CPT-Theorem Analogie: Unter der kombinierten Symmetrietransformation C(harge), P(arity) und T(ime) wird jedes physikalische System wieder in den Ausgangszustand zurückgespiegelt R e l i e f p f e i l e r R e l i e f p f e i l e r Spiegelung Rotation R e l i e f p f e i l e r r e l i e f p f e i l e R Translation

  33. 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

  34. 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

  35. 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.)

  36. 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

  37. Aktuelle Fragen der Astroteilchenphysik Zusammensetzung des Universums Wir kennen nur 4% des Universums.

  38. n Inelastische Neutronstreuung und Energieverlust in superthermischen Medien (Konverter) Akkumulation von UCN im Konverter Neue Wege zur UCN-Erzeugung Superthermisch heisst : Neutronen und Konverter stehen nicht im thermischen Gleichgewicht Prinzipiell erreichbare UCN-Dichten >>100 / cm3 Helium-4 Deuterium Premoderator UCN n Solid deuterium 5K & 97.5 % ortho D2

  39. Neue Wege zur UCN-Erzeugung

  40. TRIGA Pulsmodus • + superthermische UCN-Quelle • + UCN Speicherexperiment • ---------------------------------------- • ☛ Ideale Kombination 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

  41. Fester Wasserstoff Temperatur -250 °C Festes Deuterium Temperatur -270 °C UCN am TRIGA Mainz UCN-Speicher Experiment Kalte Neutronen v = 1000 m/s Ultrakalte Neutronen v < 10 m/s Schnelle Neutronen 3 m 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

  42. UCN Quelle C Strahl- und Speicher- experimente UCN Quelle D Speicher- Experimente TRIGAspec UCN am TRIGA Mainz

  43. UCN am TRIGA Mainz

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