Neutrones ultrafríos

Neutrones libres almacenados en trampas muy pequeñas

Los neutrones ultrafríos ( UCN ) son neutrones libres que pueden almacenarse en trampas hechas de ciertos materiales. El almacenamiento se basa en la reflexión de los UCN por dichos materiales bajo cualquier ángulo de incidencia .

Propiedades

La reflexión se produce por la interacción fuerte coherente del neutrón con los núcleos atómicos. Puede describirse en mecánica cuántica mediante un potencial efectivo, que se conoce comúnmente como pseudopotencial de Fermi o potencial óptico del neutrón . La velocidad correspondiente se denomina velocidad crítica de un material. Los neutrones se reflejan desde una superficie si el componente de velocidad normal a la superficie reflectante es menor o igual a la velocidad crítica.

Como el potencial óptico de neutrones de la mayoría de los materiales es inferior a 300 neV, la energía cinética de los neutrones incidentes no debe ser superior a este valor para que se reflejen bajo cualquier ángulo de incidencia , especialmente para la incidencia normal. La energía cinética de 300 neV corresponde a una velocidad máxima de 7,6 m/s o una longitud de onda mínima de 52 nm. Como su densidad suele ser muy pequeña, el UCN también puede describirse como un gas ideal muy fino con una temperatura de 3,5 mK. Además, los materiales con un alto potencial óptico (~ 1 μeV) se utilizan para el diseño de componentes ópticos de neutrones fríos. ^[1]

Debido a la pequeña energía cinética de un UCN, la influencia de la gravitación es significativa. Por lo tanto, las trayectorias son parabólicas. La energía cinética de un UCN se transforma en energía potencial (de altura) con ~102 neV/m.

El momento magnético del neutrón, producido por su espín , interactúa con los campos magnéticos. La energía total varía en ~60 neV/T.

Historia

Fue Enrico Fermi quien se dio cuenta por primera vez de que la dispersión coherente de neutrones lentos daría como resultado un potencial de interacción efectivo para los neutrones que viajan a través de la materia, lo que sería positivo para la mayoría de los materiales. ^[2] La consecuencia de tal potencial sería la reflexión total de neutrones lo suficientemente lentos e incidentes sobre una superficie en un ángulo de oblicuidad. Este efecto fue demostrado experimentalmente por Fermi y Walter Henry Zinn ^[3] y Fermi y Leona Marshall. ^[4] El almacenamiento de neutrones con energías cinéticas muy bajas fue predicho por Yakov Borisovich Zel'dovich ^[5] y realizado experimentalmente simultáneamente por grupos en Dubna ^[6] y Munich . ^[7]

Producción de UCN

Existen diversos métodos para la producción de UCN. Se han construido y están en funcionamiento instalaciones como las siguientes:

1. El uso de un tubo de vacío horizontal desde el reactor, curvado de manera que todo excepto el UCN sería absorbido por las paredes del tubo antes de llegar al detector. ^[6]
2. Los neutrones transportados desde el reactor a través de una guía vertical evacuada de unos 11 metros de largo son frenados por la gravedad, de modo que sólo aquellos que tienen energías ultrafrías pueden alcanzar el detector en la parte superior del tubo. ^[7]
3. Una turbina de neutrones en la que los neutrones a 50 m/s se dirigen contra las palas de una rueda de turbina con una velocidad tangencial de retroceso de 25 m/s, de la que emergen neutrones después de múltiples reflexiones con una velocidad de aproximadamente 5 m/s. ^{[8] [9] [10]}
4. Después de acelerar los protones a unos 600 MeV, chocan contra un blanco de plomo y producen neutrones por espalación. Estos neutrones se termalizan, por ejemplo, en agua pesada y luego se moderan, por ejemplo, en deuterio líquido o sólido, para enfriarlos. La producción final de UCN se produce por dispersión descendente en deuterio sólido. Una fuente de UCN de este tipo ^[11] se creó en el Instituto Paul Scherrer, Suiza, y en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, EE. UU.

Materiales reflectantes

Cualquier material con un potencial óptico neutrónico positivo puede reflejar UCN. La tabla de la derecha ofrece una lista (incompleta) de materiales que reflejan UCN, incluida la altura del potencial óptico neutrónico ( V _F ) y la velocidad crítica correspondiente ( v _C ). La altura del potencial óptico neutrónico es específica del isótopo. El valor más alto conocido de V _F se mide para ⁵⁸ Ni: 335 neV (v _C  = 8,14 m/s). Define el límite superior del rango de energía cinética de UCN.

Los materiales más utilizados para revestimientos de paredes UCN son el berilio , el óxido de berilio , el níquel (incluido ⁵⁸ Ni) y más recientemente también el carbono tipo diamante (DLC).

Los materiales no magnéticos, como el DLC, suelen preferirse para su uso con neutrones polarizados. Los centros magnéticos, por ejemplo, en el níquel, pueden provocar la despolarización de dichos neutrones por reflexión. Si un material está magnetizado , el potencial óptico de los neutrones es diferente para las dos polarizaciones, debido a

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

donde es el momento magnético del neutrón y el campo magnético creado en la superficie por la magnetización. ${\displaystyle \mu _{N}}$ ${\displaystyle B=\mu _{0}\cdot M}$

Cada material tiene una probabilidad de pérdida específica por reflexión,

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

que depende de la energía cinética del UCN incidente ( E ) y del ángulo de incidencia ( θ ). Es causada por la absorción y la dispersión térmica ascendente. El coeficiente de pérdida η es independiente de la energía y típicamente del orden de 10 ⁻⁴ a 10 ⁻³ .

Experimentos con UCN

La producción, el transporte y el almacenamiento de UCN están motivados actualmente por su utilidad como herramienta para determinar las propiedades del neutrón y estudiar las interacciones físicas fundamentales. Los experimentos de almacenamiento han mejorado la precisión o el límite superior de algunos valores físicos relacionados con los neutrones.

Medición de la vida útil de los neutrones

El valor medio mundial actual para la vida útil de los neutrones es , ^[14] al que contribuye más fuertemente el experimento de Arzumanov et al. ^{[15] . Ref. [15]} medido mediante el almacenamiento de UCN en una botella de material cubierta con aceite Fomblin (aceite de vacío de perfluoropoliéter)). El uso de trampas con diferentes relaciones de superficie a volumen les permitió separar el tiempo de desintegración del almacenamiento y la vida útil de los neutrones entre sí. Hay otro resultado, con una incertidumbre aún menor, pero que no está incluido en el promedio mundial. Fue obtenido por Serebrov et al., ^[16] quienes encontraron . Por lo tanto, los dos valores medidos con mayor precisión se desvían en 5,6 σ. ${\displaystyle 885.7\pm 0.8\,{\mathrm {s} }\,}$ ${\displaystyle \tau _{n}=885.4\pm 0.9_{\mathrm {stat} }\pm 0.4_{\mathrm {syst} }\,{\mathrm {s} }\,}$ ${\displaystyle 878.5~\pm 0.7_{\mathrm {stat} }\pm 0.4_{\mathrm {syst} }\,{\mathrm {s} }\,}$

Medición del momento dipolar eléctrico del neutrón

El momento dipolar eléctrico del neutrón es una medida de la distribución de carga positiva y negativa dentro del neutrón. Hasta octubre de 2019 no se había encontrado ningún momento dipolar eléctrico del neutrón. El valor más bajo del límite superior del momento dipolar eléctrico del neutrón se midió con UCN almacenado (ver artículo principal).

Observación de las interacciones gravitacionales del neutrón.

Los físicos han observado por primera vez estados cuantizados de la materia bajo la influencia de la gravedad. Valery Nesvizhevsky del Institut Laue-Langevin y sus colegas descubrieron que los neutrones fríos que se mueven en un campo gravitatorio no se mueven suavemente sino que saltan de una altura a otra, como predice la teoría cuántica. El hallazgo podría usarse para investigar la física fundamental como el principio de equivalencia , que establece que diferentes masas se aceleran a la misma velocidad en un campo gravitatorio (V Nesvizhevsky et al. 2001 Nature 415 297). La espectroscopia UCN se ha utilizado para limitar escenarios que incluyen energía oscura , campos camaleónicos , ^{[17] y nuevas} fuerzas de corto alcance . ^[18]

Búsqueda de oscilaciones de neutrón a neutrón espejo

ver Materia Espejo

Medición del tiempo de oscilación neutrón-antineutrón

Medición del coeficiente A de correlación de la desintegración beta del neutrón

La primera medición de la beta-asimetría con UCN se realizó en 2009 por un grupo de Los Álamos. ^[19] El grupo LANSCE publicó mediciones de precisión con UCN polarizado el año siguiente. ^[20] Otras mediciones realizadas por estos grupos y otros han llevado al promedio mundial actual: ^[21]

${\displaystyle A_{0}=-0.1184\pm 0.0010}$

Referencias

1. Hadden, Elhoucine; Iso, Yuko; Kume, Atsushi; Umemoto, Koichi; Jenke, Tobias; Fally, Martin; Klepp, Jürgen; Tomita, Yasuo (24 de mayo de 2022). "Rejillas compuestas de nanopartículas y polímeros basadas en nanodiamantes con modulación del índice de refracción de neutrones extremadamente grande". En McLeod, Robert R; Tomita, Yasuo; Sheridan, John T; Pascual Villalobos, Inmaculada (eds.). Materiales fotosensibles y sus aplicaciones II . Vol. 12151. SPIE. págs. 70–76. Código Bibliográfico :2022SPIE12151E..09H. doi :10.1117/12.2623661. ISBN 9781510651784.S2CID249056691  .​
2. E. Fermi, Ricerca Scientifica 7 (1936) 13
3. Anónimo (1946). "Actas de la reunión de Chicago, 20-22 de junio de 1946". Physical Review . 70 (1–2): 99. Bibcode :1946PhRv...70...99.. doi :10.1103/PhysRev.70.99.
4. Fermi, E.; Marshall, L. (15 de mayo de 1947). "Fenómenos de interferencia de neutrones lentos". Physical Review . 71 (10). American Physical Society (APS): 666–677. Bibcode :1947PhRv...71..666F. doi :10.1103/physrev.71.666. hdl : 2027/mdp.39015074124465 . ISSN  0031-899X.
5. Zeldovich, Ya.B. (1959). "Almacenamiento de neutrones fríos". Revista de Física Soviética de Física Experimental y Teórica . 9 : 1389.
6. VI Lushikov y col. , Sov. Phys. JETP Lett. 9 (1969) 23
7. Steyerl, A. (1969). "Medidas de secciones transversales totales para neutrones muy lentos con 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.
8. A. Steyerl; H. Nagel; F.-X. Schreiber; K.-A. Steinhauser; R. Gähler; W. Gläser; P. Ageron; JM Astruc; W. Drexel; G. Gervais y W. Mampe (1986). "Una nueva fuente de neutrones fríos y ultrafríos". Phys. Lett. A . 116 (7): 347–352. Bibcode :1986PhLA..116..347S. doi :10.1016/0375-9601(86)90587-6.
9. "Libro amarillo de ILL". ill.eu . Consultado el 5 de junio de 2022 .
10. Stefan Döge; Jürgen Hingerl y Christoph Morkel (febrero de 2020). "Espectros de velocidad medidos y densidades de neutrones de los puertos de haz de neutrones ultrafríos PF2 en el Institut Laue–Langevin". Nucl. Instrum. Methods A . 953 : 163112. arXiv : 2001.04538 . Código Bibliográfico :2020NIMPA.95363112D. doi :10.1016/j.nima.2019.163112. S2CID  209942845.
11. Lauss, Bernhard; Blau, Bertrand (6 de septiembre de 2021). "UCN, la fuente de neutrones ultrafríos: neutrones para la física de partículas". Actas de Física de SciPost (5): 004. arXiv : 2104.02457 . doi : 10.21468/SciPostPhysProc.5.004 . ISSN  2666-4003. S2CID  : 233033971.
12. R. Golub, D. Richardson, SK Lamoreaux, Neutrones ultrafríos , Adam Hilger (1991), Bristol
13. VK Ignatovich, La física de los neutrones ultrafríos , Clarendon Press (1990), Oxford, Reino Unido
14. al, WM Yao; et al. (Particle Data Group) (2006-07-01). "Revisión de la física de partículas". Journal of Physics G: Física nuclear y de partículas . 33 (1): 1–1232. arXiv : astro-ph/0601514 . Bibcode :2006JPhG...33....1Y. doi : 10.1088/0954-3899/33/1/001 . ISSN  0954-3899.y actualización parcial de 2007 para la edición 2008 (URL: http://pdg.lbl.gov)
15. Arzumanov, S; Bondarenko, L; Chernyavsky, S; Drexel, W; Fomin, A; et al. (2000). "Valor del tiempo de vida de los neutrones medido mediante el almacenamiento de neutrones ultrafríos con detección de neutrones dispersos de forma inelástica". Physics Letters B . 483 (1–3). Elsevier BV: 15–22. Bibcode :2000PhLB..483...15A. doi :10.1016/s0370-2693(00)00579-7. ISSN  0370-2693.
16. Serebrov, A.; Varlamov, V.; Kharitonov, A.; Fomin, A.; Pokotilovski, Yu.; et al. (2005). "Medición del tiempo de vida de los neutrones utilizando una trampa gravitacional y un recubrimiento de Fomblin de baja temperatura". Physics Letters B . 605 (1–2): 72–78. arXiv : nucl-ex/0408009 . Bibcode :2005PhLB..605...72S. doi :10.1016/j.physletb.2004.11.013. ISSN  0370-2693. PMC 4852839 . PMID  27308146. 
17. 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). "La espectroscopia de resonancia de gravedad restringe los escenarios de energía oscura y materia oscura". Physical Review Letters . 112 (15): 151105. arXiv : 1404.4099 . Código Bibliográfico :2014PhRvL.112o1105J. doi :10.1103/PhysRevLett.112.151105. PMID  24785025. S2CID  38389662.
18. Kamiya, Y.; Itagaki, K.; Tani, M.; Kim, GN; Komamiya, S. (22 de abril de 2015). "Restricciones en nuevas fuerzas de tipo gravitacional en el rango nanométrico". Physical Review Letters . 114 (16): 161101. arXiv : 1504.02181 . Bibcode :2015PhRvL.114p1101K. doi :10.1103/PhysRevLett.114.161101. PMID  25955041. S2CID  10982682.
19. Pattie, RW; Anaya, J.; Back, 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 enero de 2009). "Primera medición de la asimetría del neutrón β con neutrones ultrafríos" (PDF) . Physical Review Letters . 102 (1): 012301. arXiv : 0809.2941 . Código Bibliográfico :2009PhRvL.102a2301P. doi :10.1103/PhysRevLett.102.012301. PMID  19257182. S2CID  13048589.
20. Liu, J.; Mendenhall, MP; Holley, AT; Back, 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; Plaster, B.; Ramsey, JC; Rios, R.; et al. (julio de 2010). "Determinación de la constante de acoplamiento débil axial-vectorial con neutrones ultrafríos". Physical Review Letters . 105 (18): 181803. arXiv : 1007.3790 . Código Bibliográfico :2010PhRvL.105r1803L. doi :10.1103/PhysRevLett.105.181803. PMID  21231098. S2CID  16055409.
21. KA Olive et al. (Particle Data Group) (2014). "Parámetro A de e−Asimetría". Archivado desde el original el 26 de abril de 2015. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )