Nêutrons ultracold - Ultracold neutrons

Nêutrons ultracold ( UCN ) são nêutrons livres que podem ser armazenados em armadilhas feitas de certos materiais. O armazenamento é baseado na reflexão de UCN por tais materiais sob qualquer ângulo de incidência .

Propriedades

A reflexão é causada pela forte interação coerente do nêutron com os núcleos atômicos. Ele pode ser descrito mecanicamente por quantum por um potencial efetivo que é comumente referido como o pseudo potencial de Fermi ou o potencial óptico de nêutron . A velocidade correspondente é chamada de velocidade crítica de um material. Os nêutrons são refletidos de uma superfície se o componente de velocidade normal à superfície refletora for menor ou igual à velocidade crítica.

Como o potencial óptico de nêutrons da maioria dos materiais está abaixo de 300 neV, a energia cinética dos nêutrons incidentes não deve ser superior a este valor para ser refletida sob qualquer ângulo de incidência , especialmente para incidência normal. A energia cinética de 300 neV corresponde a uma velocidade máxima de 7,6 m / s ou um comprimento de onda mínimo de 52 nm. Como sua densidade geralmente é muito pequena, o UCN também pode ser descrito como um gás ideal muito fino com uma temperatura de 3,5 mK.

Devido à pequena energia cinética de um UCN, a influência da gravitação é significativa. Portanto, as trajetórias são parabólicas. A energia cinética de um UCN é transformada em energia potencial (altura) com ~ 102 neV / m.

O momento magnético do nêutron, produzido por seu spin , interage com os campos magnéticos. A energia total muda com ~ 60 neV / T.

História

Foi Enrico Fermi quem primeiro percebeu que o espalhamento coerente de nêutrons lentos resultaria em um potencial de interação eficaz para nêutrons viajando através da matéria, o que seria positivo para a maioria dos materiais. A consequência de tal potencial seria a reflexão total de nêutrons suficientemente lenta e incidente em uma superfície em um ângulo de visão. Este efeito foi demonstrado experimentalmente por Fermi e Walter Henry Zinn e Fermi e Leona Marshall. O armazenamento de nêutrons com energias cinéticas muito baixas foi previsto por Yakov Borisovich Zel'dovich e experimentalmente realizado simultaneamente por grupos em Dubna e Munique .

Produção UCN

Existem vários métodos para a produção de UCN. Essas instalações foram construídas e estão em operação:

O uso de um tubo evacuado horizontal do reator, curvo de forma que todos, exceto o UCN, seriam absorvidos pelas paredes do tubo antes de chegar ao detector.
Os nêutrons transportados do reator através de um guia evacuado vertical de cerca de 11 metros de comprimento são desacelerados pela gravidade, de forma que apenas aqueles que possuem energias ultracold podem alcançar o detector no topo do tubo.
Uma turbina de nêutrons na qual nêutrons a 50 m / s são direcionados contra as pás de uma roda de turbina com velocidade tangencial recuando de 25 m / s, da qual nêutrons emergem após múltiplas reflexões com uma velocidade de cerca de 5 m / s.

Materiais refletivos

Material:	V _F	v _C	η (10 ⁻⁴ )
Berílio	252 neV	6,89 m / s	2,0-8,5
BeO	261 neV	6,99 m / s
Níquel	252 neV	6,84 m / s	5,1
Diamante	304 neV	7,65 m / s
Grafite	180 neV	5,47 m / s
Ferro	210 neV	6,10 m / s	1,7-28
Cobre	168 neV	5,66 m / s	2,1-16
Alumínio	054 neV	3,24 m / s	2,9–10

Qualquer material com potencial óptico de nêutron positivo pode refletir UCN. A tabela à direita fornece uma lista (incompleta) de materiais refletivos de UCN, incluindo a altura do potencial óptico de nêutrons ( V _F ) e a velocidade crítica correspondente ( v _C ). A altura do potencial óptico de nêutrons é específica do isótopo. O maior valor conhecido de V _F é medido para ⁵⁸ Ni: 335 neV (v _C = 8,14 m / s). Ele define o limite superior da faixa de energia cinética do UCN.

Os materiais mais usados para revestimentos de parede UCN são berílio , óxido de berílio , níquel (incluindo ⁵⁸ Ni) e, mais recentemente, carbono semelhante ao diamante (DLC).

Materiais não magnéticos, como DLC, são geralmente preferidos para uso com nêutrons polarizados. Centros magnéticos em, por exemplo, Ni podem levar à despolarização de tais nêutrons após reflexão. Se um material é magnetizado , o potencial óptico de nêutrons é diferente para as duas polarizações, causadas por

{\ displaystyle V_ {F} (pol.) = V_ {F} (unpol.) \ pm \ mu _ {N} \ cdot B}

onde está o momento magnético do nêutron e o campo magnético criado na superfície pela magnetização. ${\ displaystyle \ mu _ {N}}$ ${\ displaystyle B = \ mu _ {0} \ cdot M}$

Cada material tem uma probabilidade de perda específica por reflexão,

{\ displaystyle \ mu (E, \ theta) = 2 \ eta {\ sqrt {\ frac {E \ cos ^ {2} \ theta} {V_ {F} -E \ cos ^ {2} \ theta}}} }

que depende da energia cinética do UCN incidente ( E ) e do ângulo de incidência ( θ ). É causado por absorção e dispersão térmica. O coeficiente de perda η é independente de energia e tipicamente da ordem de 10 ⁻⁴ a 10 ⁻³ .

Experimentos com UCN

A produção, transporte e armazenamento de UCN são motivados atualmente por sua utilidade como uma ferramenta para determinar propriedades do nêutron e para estudar interações físicas fundamentais. Os experimentos de armazenamento melhoraram a precisão ou o limite superior de alguns valores físicos relacionados a nêutrons.

Medição da vida útil do nêutron

O valor médio mundial de hoje para a vida útil dos nêutrons é , para o qual o experimento de Arzumanov et al. contribui mais forte. Ref. medido pelo armazenamento de UCN em um frasco de material coberto com óleo de Fomblin . O uso de armadilhas com diferentes proporções de superfície e volume permitiu que separassem o tempo de decaimento do armazenamento e o tempo de vida do nêutron. Há outro resultado, com incerteza ainda menor, mas que não está incluído na média mundial. Foi obtido por Serebrov et al., Que encontraram . Assim, os dois valores medidos com mais precisão se desviam de 5,6 σ. ${\ displaystyle 885,7 \ pm 0,8 \, {\ mathrm {s}} \,}$ ${\ displaystyle \ tau _ {n} = 885,4 \ pm 0,9 _ {\ mathrm {stat}} \ pm 0,4 _ {\ mathrm {syst}} \, {\ mathrm {s}} \,}$ ${\ displaystyle 878,5 ~ \ pm 0,7 _ {\ mathrm {stat}} \ pm 0,4 _ {\ mathrm {syst}} \, {\ mathrm {s}} \,}$

Medição do momento de dipolo elétrico de nêutrons

O momento de dipolo elétrico de nêutrons (nEDM) é uma medida para a distribuição de carga positiva e negativa dentro do nêutron. Nenhum nEDM foi encontrado atualmente (outubro de 2019). O valor mais baixo de hoje para o limite superior do nEDM foi medido com UCN armazenado (consulte o artigo principal).

Observação das interações gravitacionais do nêutron

Os físicos observaram pela primeira vez estados quantizados da matéria sob a influência da gravidade. Valery Nesvizhevsky do Institut Laue-Langevin e colegas descobriram que nêutrons frios movendo-se em um campo gravitacional não se movem suavemente, mas saltam de uma altura para outra, conforme previsto pela teoria quântica. A descoberta poderia ser usada para sondar a física fundamental, como o princípio de equivalência , que afirma que diferentes massas aceleram na mesma taxa em um campo gravitacional (V Nesvizhevsky et al. 2001 Nature 415 297). A espectroscopia UCN tem sido usada para limitar cenários, incluindo energia escura , campos camaleônicos e novas forças de curto alcance .

Medição do tempo de oscilação nêutron-anti-nêutron

Medição do coeficiente A da correlação de decaimento beta de nêutrons

A primeira medição relatada da assimetria beta usando UCN é de um grupo de Los Alamos em 2009. O grupo LANSCE publicou medições de precisão com UCN polarizado no ano seguinte. Medidas adicionais por esses grupos e outros levaram à média mundial atual:

{\ displaystyle A_ {0} = - 0,1184 \ pm 0,0010}

Referências

^ E. Fermi, Ricerca Scientifica 7 (1936) 13
^ Anônimo (1946). "Ata da Reunião em Chicago, 20-22 de junho de 1946". Revisão física . 70 (1-2): 99. bibcode : 1946PhRv ... 70 ... 99. . doi : 10.1103 / PhysRev.70.99 .
^ Fermi, E .; Marshall, L. (15/05/1947). "Fenômenos de interferência de nêutrons lentos". Revisão física . American Physical Society (APS). 71 (10): 666–677. doi : 10.1103 / physrev.71.666 . hdl : 2027 / mdp.39015074124465 . ISSN 0031-899X .
^ Zeldovich, Ya.B. (1959). "Armazenamento de nêutrons frios". Soviética Physics Journal of Experimental & Theoretical Physics . 9 : 1389.
^ ^a ^b V.I. Lushikov et al. , Sov. Phys. JETP Lett. 9 (1969) 23
^ ^a ^b Steyerl, A. (1969). "Medições de seções transversais totais para nêutrons muito lentos com velocidades de 100 m / seg a 5 m / seg". Physics Letters B . 29 (1): 33–35. Bibcode : 1969PhLB ... 29 ... 33S . doi : 10.1016 / 0370-2693 (69) 90127-0 .
^ A. Steyerl; H. Nagel; F.-X. Schreiber; K.-A. Steinhauser; R. Gähler; W. Gläser; P. Ageron; JM Astruc; W. Drexel; G. Gervais e W. Mampe (1986). "Uma nova fonte de nêutrons frios e ultracold" . Phys. Lett. Um . 116 (7): 347–352. doi : 10.1016 / 0375-9601 (86) 90587-6 .
^ Stefan Döge; Jürgen Hingerl e Christoph Morkel (fevereiro de 2020). "Espectros de velocidade medidos e densidades de nêutrons das portas de feixe de nêutrons ultracold PF2 no Institut Laue-Langevin" . Nucl. Instrum. Meth. Um . 953 : 163112. arXiv : 2001.04538 . Bibcode : 2020NIMPA.95363112D . doi : 10.1016 / j.nima.2019.163112 .
^ R. Golub, D. Richardson, SK Lamoreaux, Ultra-Cold Neutrons , Adam Hilger (1991), Bristol
^ ^a ^b V.K. Ignatovich, The Physics of Ultracold Neutrons , Clarendon Press (1990), Oxford, Reino Unido
^ al, WM Yao; et al. (Particle Data Group) (2006-07-01). "Review of Particle Physics" . Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics . Publicação do IOP. 33 (1): 1–1232. doi : 10.1088 / 0954-3899 / 33/1/001 . ISSN 0954-3899 .e atualização parcial de 2007 para a edição 2008 (URL: http://pdg.lbl.gov )
^ ^a ^b Arzumanov, S; Bondarenko, L; Chernyavsky, S; Drexel, W; Fomin, A; et al. (2000). "Valor do tempo de vida do nêutron medido pelo armazenamento de nêutrons ultracold com detecção de nêutrons dispersos inelasticamente". Physics Letters B . Elsevier BV. 483 (1–3): 15–22. doi : 10.1016 / s0370-2693 (00) 00579-7 . ISSN 0370-2693 .
^ Serebrov, A .; Varlamov, V .; Kharitonov, A .; Fomin, A .; Pokotilovski, Yu .; et al. (2005). "Medição da vida útil do nêutron usando uma armadilha gravitacional e um revestimento de Fomblin de baixa temperatura" . Physics Letters B . Elsevier BV. 605 (1–2): 72–78. doi : 10.1016 / j.physletb.2004.11.013 . ISSN 0370-2693 . PMC 4852839 .
^ Jenke, T .; Cronenberg, G .; Burgdörfer, J .; Chizhova, LA; Geltenbort, P .; Ivanov, AN; Lauer, T .; Lins, T .; Rotter, S .; Saul, H .; Schmidt, U .; Abele, H. (16 de abril de 2014). "Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios". Cartas de revisão física . 112 (15): 151105. arXiv : 1404,4099 . Bibcode : 2014PhRvL.112o1105J . doi : 10.1103 / PhysRevLett.112.151105 . PMID 24785025 .
^ Kamiya, Y .; Itagaki, K .; Tani, M .; Kim, GN; Komamiya, S. (22 de abril de 2015). "Restrições em novas forças semelhantes à gravidade na faixa do nanômetro". Cartas de revisão física . 114 (16): 161101. arXiv : 1504.02181 . Bibcode : 2015PhRvL.114p1101K . doi : 10.1103 / PhysRevLett.114.161101 . PMID 25955041 .
^ Pattie, RW; Anaya, J .; Voltar, HO; Boissevain, JG; Bowles, TJ; Broussard, LJ; Carr, R .; Clark, DJ; Currie, S .; Du, S .; Filippone, BW; Geltenbort, P .; García, A .; Hawari, A .; Hickerson, KP; Hill, R .; Hino, M .; Hoedl, SA; Hogan, GE; Holley, AT; Ito, TM; Kawai, T .; Kirch, K .; Kitagaki, S .; Lamoreaux, SK; Liu, C.-Y .; Liu, J .; Makela, M .; Mammei, RR; et al. (5 de janeiro de 2009). "Primeira medição da assimetria de nêutrons β com nêutrons ultracold" (PDF) . Cartas de revisão física . 102 (1): 012301. arXiv : 0809.2941 . Bibcode : 2009PhRvL.102a2301P . doi : 10.1103 / PhysRevLett.102.012301 . PMID 19257182 .
^ Liu, J .; Mendenhall, MP; Holley, AT; Voltar, HO; Bowles, TJ; Broussard, LJ; Carr, R .; Clayton, S .; Currie, S .; Filippone, BW; García, A .; Geltenbort, P .; Hickerson, KP; Hoagland, J .; Hogan, GE; Hona, B .; Ito, TM; Liu, C.-Y .; Makela, M .; Mammei, RR; Martin, JW; Melconian, D .; Morris, CL; Pattie, RW; Pérez Galván, A .; Pitt, ML; Gesso, B .; Ramsey, JC; Rios, R .; et al. (Julho de 2010). "Determinação da Constante de Acoplamento Fraco do Vetor Axial com Nêutrons Ultracold". Cartas de revisão física . 105 (18): 181803. arXiv : 1007,3790 . Bibcode : 2010PhRvL.105r1803L . doi : 10.1103 / PhysRevLett.105.181803 . PMID 21231098 .
^ KA Olive e outros. (Particle Data Group) (2014). "e− PARÂMETRO A DE ASSIMETRIA" . Arquivado do original em 26-04-2015. Citar diário requer |journal=( ajuda )

[1] E. Fermi, Ricerca Scientifica 7 (1936) 13

[2] Anônimo (1946). "Ata da Reunião em Chicago, 20-22 de junho de 1946". Revisão física . 70 (1-2): 99. bibcode : 1946PhRv ... 70 ... 99. . doi : 10.1103 / PhysRev.70.99 .

[3] Fermi, E .; Marshall, L. (15/05/1947). "Fenômenos de interferência de nêutrons lentos". Revisão física . American Physical Society (APS). 71 (10): 666–677. doi : 10.1103 / physrev.71.666 . hdl : 2027 / mdp.39015074124465 . ISSN 0031-899X .

[4] Zeldovich, Ya.B. (1959). "Armazenamento de nêutrons frios". Soviética Physics Journal of Experimental & Theoretical Physics . 9 : 1389.

[lushikov-5] V.I. Lushikov et al. , Sov. Phys. JETP Lett. 9 (1969) 23

[steyerl-6] Steyerl, A. (1969). "Medições de seções transversais totais para nêutrons muito lentos com velocidades de 100 m / seg a 5 m / seg". Physics Letters B . 29 (1): 33–35. Bibcode : 1969PhLB ... 29 ... 33S . doi : 10.1016 / 0370-2693 (69) 90127-0 .

[turbineconstruction-7] A. Steyerl; H. Nagel; F.-X. Schreiber; K.-A. Steinhauser; R. Gähler; W. Gläser; P. Ageron; JM Astruc; W. Drexel; G. Gervais e W. Mampe (1986). "Uma nova fonte de nêutrons frios e ultracold" . Phys. Lett. Um . 116 (7): 347–352. doi : 10.1016 / 0375-9601 (86) 90587-6 .

[turbinespectrum-8] Stefan Döge; Jürgen Hingerl e Christoph Morkel (fevereiro de 2020). "Espectros de velocidade medidos e densidades de nêutrons das portas de feixe de nêutrons ultracold PF2 no Institut Laue-Langevin" . Nucl. Instrum. Meth. Um . 953 : 163112. arXiv : 2001.04538 . Bibcode : 2020NIMPA.95363112D . doi : 10.1016 / j.nima.2019.163112 .

[golub-9] R. Golub, D. Richardson, SK Lamoreaux, Ultra-Cold Neutrons , Adam Hilger (1991), Bristol

[ignatovich-10] V.K. Ignatovich, The Physics of Ultracold Neutrons , Clarendon Press (1990), Oxford, Reino Unido

[PDG-11] , WM Yao; et al. (Particle Data Group) (2006-07-01). "Review of Particle Physics" . Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics . Publicação do IOP. 33 (1): 1–1232. doi : 10.1088 / 0954-3899 / 33/1/001 . ISSN 0954-3899 .e atualização parcial de 2007 para a edição 2008 (URL: http://pdg.lbl.gov )

[arzumanov-12] Arzumanov, S; Bondarenko, L; Chernyavsky, S; Drexel, W; Fomin, A; et al. (2000). "Valor do tempo de vida do nêutron medido pelo armazenamento de nêutrons ultracold com detecção de nêutrons dispersos inelasticamente". Physics Letters B . Elsevier BV. 483 (1–3): 15–22. doi : 10.1016 / s0370-2693 (00) 00579-7 . ISSN 0370-2693 .

[13] Serebrov, A .; Varlamov, V .; Kharitonov, A .; Fomin, A .; Pokotilovski, Yu .; et al. (2005). "Medição da vida útil do nêutron usando uma armadilha gravitacional e um revestimento de Fomblin de baixa temperatura" . Physics Letters B . Elsevier BV. 605 (1–2): 72–78. doi : 10.1016 / j.physletb.2004.11.013 . ISSN 0370-2693 . PMC 4852839 .

[14] Jenke, T .; Cronenberg, G .; Burgdörfer, J .; Chizhova, LA; Geltenbort, P .; Ivanov, AN; Lauer, T .; Lins, T .; Rotter, S .; Saul, H .; Schmidt, U .; Abele, H. (16 de abril de 2014). "Gravity Resonance Spectroscopy Constrains Dark Energy and Dark Matter Scenarios". Cartas de revisão física . 112 (15): 151105. arXiv : 1404,4099 . Bibcode : 2014PhRvL.112o1105J . doi : 10.1103 / PhysRevLett.112.151105 . PMID 24785025 .

[15] Kamiya, Y .; Itagaki, K .; Tani, M .; Kim, GN; Komamiya, S. (22 de abril de 2015). "Restrições em novas forças semelhantes à gravidade na faixa do nanômetro". Cartas de revisão física . 114 (16): 161101. arXiv : 1504.02181 . Bibcode : 2015PhRvL.114p1101K . doi : 10.1103 / PhysRevLett.114.161101 . PMID 25955041 .

[16] Pattie, RW; Anaya, J .; Voltar, HO; Boissevain, JG; Bowles, TJ; Broussard, LJ; Carr, R .; Clark, DJ; Currie, S .; Du, S .; Filippone, BW; Geltenbort, P .; García, A .; Hawari, A .; Hickerson, KP; Hill, R .; Hino, M .; Hoedl, SA; Hogan, GE; Holley, AT; Ito, TM; Kawai, T .; Kirch, K .; Kitagaki, S .; Lamoreaux, SK; Liu, C.-Y .; Liu, J .; Makela, M .; Mammei, RR; et al. (5 de janeiro de 2009). "Primeira medição da assimetria de nêutrons β com nêutrons ultracold" (PDF) . Cartas de revisão física . 102 (1): 012301. arXiv : 0809.2941 . Bibcode : 2009PhRvL.102a2301P . doi : 10.1103 / PhysRevLett.102.012301 . PMID 19257182 .

[17] Liu, J .; Mendenhall, MP; Holley, AT; Voltar, HO; Bowles, TJ; Broussard, LJ; Carr, R .; Clayton, S .; Currie, S .; Filippone, BW; García, A .; Geltenbort, P .; Hickerson, KP; Hoagland, J .; Hogan, GE; Hona, B .; Ito, TM; Liu, C.-Y .; Makela, M .; Mammei, RR; Martin, JW; Melconian, D .; Morris, CL; Pattie, RW; Pérez Galván, A .; Pitt, ML; Gesso, B .; Ramsey, JC; Rios, R .; et al. (Julho de 2010). "Determinação da Constante de Acoplamento Fraco do Vetor Axial com Nêutrons Ultracold". Cartas de revisão física . 105 (18): 181803. arXiv : 1007,3790 . Bibcode : 2010PhRvL.105r1803L . doi : 10.1103 / PhysRevLett.105.181803 . PMID 21231098 .

[18] KA Olive e outros. (Particle Data Group) (2014). "e− PARÂMETRO A DE ASSIMETRIA" . Arquivado do original em 26-04-2015. Citar diário requer |journal=( ajuda )

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