Los neutrones ultrafríos ( UCN ) son neutrones libres que pueden almacenarse en trampas hechas de ciertos materiales. El almacenamiento se basa en el reflejo de UCN por dichos materiales bajo cualquier ángulo de incidencia .
Propiedades
La reflexión es causada por la fuerte interacción coherente del neutrón con los núcleos atómicos. Puede describirse mecánicamente cuántico mediante un potencial efectivo que se conoce comúnmente como el pseudo potencial de Fermi o el potencial óptico de neutrones . La velocidad correspondiente se llama 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 que la velocidad crítica.
Como el potencial óptico de neutrones de la mayoría de los materiales está por debajo de 300 neV, la energía cinética de los neutrones incidentes no debe ser superior a este valor para que se refleje bajo cualquier ángulo de incidencia , especialmente para incidencia normal. La energía cinética de 300 neV corresponde a una velocidad máxima de 7,6 m / so una longitud de onda mínima de 52 nm. Como su densidad suele ser muy pequeña, el UCN también se puede describir como un gas ideal muy fino con una temperatura de 3,5 mK.
Debido a la pequeña energía cinética de un UCN, la influencia de la gravitación es significativa. Por tanto, las trayectorias son parabólicas. La energía cinética de un UCN se transforma en energía potencial (altura) con ~ 102 neV / m.
El momento magnético del neutrón, producido por su giro , interactúa con los campos magnéticos. La energía total cambia con ~ 60 neV / T.
Historia
Fue Enrico Fermi quien se dio cuenta primero 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. [1] La consecuencia de tal potencial sería la reflexión total de neutrones lo suficientemente lentos e incidentes sobre una superficie en un ángulo de mirada. Este efecto fue demostrado experimentalmente por Fermi y Walter Henry Zinn [2] y Fermi y Leona Marshall. [3] El almacenamiento de neutrones con energías cinéticas muy bajas fue predicho por Yakov Borisovich Zel'dovich [4] y realizado experimentalmente simultáneamente por grupos en Dubna [5] y Munich . [6]
Producción UCN
Existen varios métodos para la producción de UCN. Estas instalaciones se han construido y están en funcionamiento:
- El uso de un tubo de vacío horizontal del reactor, curvado para que todos menos UCN fueran absorbidos por las paredes del tubo antes de llegar al detector. [5]
- Los neutrones transportados desde el reactor a través de una guía vertical evacuada de unos 11 metros de largo se ralentizan por la gravedad, por lo que solo aquellos que tenían energías ultrafrías pueden alcanzar el detector en la parte superior del tubo. [6]
- 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 en retroceso de 25 m / s, de la cual emergen neutrones después de múltiples reflexiones con una velocidad de aproximadamente 5 m / s. [7] [8]
Materiales reflectantes
Material: | V F [9] | v C [10] | η (10 −4 ) [10] |
Berilio | 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 | |
Grafito | 180 neV | 5,47 m / s | |
Hierro | 210 neV | 6,10 m / s | 1,7-28 |
Cobre | 168 neV | 5,66 m / s | 2.1–16 |
Aluminio | 54 neV | 3,24 m / s | 2.9-10 |
Cualquier material con un potencial óptico de neutrones positivo puede reflejar UCN. La tabla de la derecha proporciona una lista (incompleta) de materiales reflectantes UCN, incluida la altura del potencial óptico de neutrones ( V F ) y la velocidad crítica correspondiente ( v C ). La altura del potencial óptico de neutrones 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 los revestimientos de paredes UCN son el berilio , el óxido de berilio , el níquel (incluido el 58 Ni) y, más recientemente, también el carbono tipo diamante (DLC).
Los materiales no magnéticos como el DLC se prefieren normalmente para su uso con neutrones polarizados. Los centros magnéticos en, por ejemplo, Ni pueden conducir a la despolarización de tales neutrones por reflexión. Si un material está magnetizado , el potencial óptico de neutrones es diferente para las dos polarizaciones, causado por
dónde es el momento magnético del neutrón y el campo magnético creado en la superficie por la magnetización.
Cada material tiene una probabilidad de pérdida específica por reflexión,
que depende de la energía cinética del UCN incidente ( E ) y del ángulo de incidencia ( θ ). Es causada por absorción y dispersión térmica. 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, transporte y almacenamiento de UCN está motivada 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.
Medida de la vida útil de los neutrones
El valor medio mundial actual de la vida útil de los neutrones es , [11] a lo que el experimento de Arzumanov et al. [12] contribuye más fuerte. Árbitro. [12] medidomediante el almacenamiento de UCN en una botella de material cubierta con aceite de Fomblin . 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 se incluye en el promedio mundial. Fue obtenido por Serebrov et al., [13] quienes encontraron. Por tanto, los dos valores medidos con mayor precisión se desvían 5,6 σ.
Medición del momento dipolar eléctrico de neutrones
El momento dipolar eléctrico de neutrones (nEDM) es una medida de la distribución de carga positiva y negativa dentro del neutrón. Actualmente no se ha encontrado nEDM (octubre de 2019). El valor más bajo de hoy para el límite superior del nEDM se midió con UCN almacenado (ver artículo principal).
Observación de las interacciones gravitacionales del neutrón.
Los físicos han observado estados cuantificados de la materia bajo la influencia de la gravedad por primera vez. Valery Nesvizhevsky del Institut Laue-Langevin y sus colegas encontraron que los neutrones fríos que se mueven en un campo gravitacional no se mueven suavemente sino que saltan de una altura a otra, como predice la teoría cuántica. El hallazgo podría usarse para probar la física fundamental, como el principio de equivalencia , que establece que diferentes masas se aceleran a la misma velocidad en un campo gravitacional (V Nesvizhevsky et al. 2001 Nature 415 297). Espectroscopia UCN se ha utilizado para escenarios límite incluyendo la energía oscura , campos camaleón , [14] y nuevas de corto alcance fuerzas . [15]
Medida del tiempo de oscilación neutrón-antineutrón
Medición del coeficiente A de la correlación de desintegración beta de neutrones
La primera medición reportada de la asimetría beta usando UCN es de un grupo de Los Alamos en 2009. [16] El grupo LANSCE publicó mediciones de precisión con UCN polarizado el próximo año. [17] Nuevas mediciones de estos grupos y otros han llevado al promedio mundial actual: [18]
Referencias
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