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Veröffentlicht von:Lieselotte Mund Geändert vor über 9 Jahren
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Physik mit Ultrakalten Neutronen Ein neues Forschungsgebiet
an der JGU Mainz Universität Mainz, Institut für Kernchemie
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- Was sind ultrakalte Neutronen?
- Wechselwirkungen von Neutronen - Erzeugung von ultrakalten Neutronen - Experimente mit ultrakalten Neutronen
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Was sind ultrakalte Neutronen (UCN)?
Freie Neutronen Geschwindigkeit < 7m/s Wellenlänge∼ 1000 Å Energie < 250 neV Temperatur ∼ mK Starke Wechselwirkung Material V (neV) Aluminium 54 58Nickel 350 nat. Nickel 250 Beryllium C - Graphite 180 C - DLC 282 C - Diamant 304 SiO2 (Quartz) 110 Kupfer 170 Edelstahl 188 Eisen 220 Gravitation Magnetische Felder UCN können gespeichert werden in Gravitations- und magnetischen Feldern, sowie zwischen Materialwänden ΔEn = 100 neV/m ΔEn = 60 neV/T V < 350 neV
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Streuung von Neutronen an Kernen (Fermi)
Neutronenstreuung Streuung von Neutronen an Kernen (Fermi) -> Behandlung mit einem effektiven Potential
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Fermi: Einführen eines Pseudopotentials
Ersetze tiefes Kernpotential mit Reichweite R -> flaches Pseudopotential mit Reichweite ρ >> R Störungsrechnung (1. Bornsche Näherung) möglich
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Effektives Potential U
m: Neutronenmasse N: Teilchenzahldichte a: kohärente Streulänge σabs: Absorptionsquerschnitt v: Neutronengeschwindigkeit 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
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UCN-Reflektion am Beispiel Nickel
EUCN < V -> Reflektivität nahe bei 100% EUCN > V -> Reflektivität geht gegen 0
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Erzeugung von UCN – am ILL in Grenoble
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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
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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
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Abbremsen von Very-Cold neutrons (VCN, v=50 m/s)
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)
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Zerfall über die schwache Wechselwirkung
Zerfall des Neutrons Zerfall über die schwache Wechselwirkung Zahlreiche Observablen im Neutronenzerfall, z.B. Lebensdauer τn, Paritätsverletzung (Koeffizient A)
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Zerfallsschema des Neutrons
ΔI=0 ΔI=1 Zwei Zerfallswege (interferierend) Fermi-Übergang, paritätserhaltend, ΔI=0, Kopplung gv Gamov-Teller-Übergang, p-verletzend, ΔI=1, Kopplung ga Ein Kopplungsparameter: λ=ga/gv
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Neutronenlebensdauer
Naturkonstanten p νe e-- W --- Quark-Mischung Schwache Wechselwirkung n Prozesse mit ähnlichen Feynman-Graphen Lebensdauer τn , λ und Vud stehen im Zusammenhang Feynman-Graph des N-Zerfalls ist analog zu anderen, wichtigen Prozessen der schwachen Wechselwirkung e+ n n νe e+ - Primordiale Elementsynthese - Neutronensterne - W, Z Produktion W + W + p p νe Neutrino Detektoren Solarer pp Zyklus
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Problem mit der Neutronenlebensdauer
PDG: Particle Data Group 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
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Bestimmung von Vud aus Daten des N-Zerfalls
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
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Der Urknall des Universums und die Neutronenlebensdauer
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Die ersten drei Minuten
Neutronen Protonen
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Die ersten drei Minuten
Gleichgewicht Neutronen Protonen Nach drei Minuten: n/p=1/7 -> Primordiale Nukleosynthese: n und p verschmelzen zu 4He, freie p bleiben als Wasserstoff übrig Helium (25%) Wasserstoff (75%) N-Lebensdauer τn hat großen Einfluss auf das Verhältnis Helium/Wasserstoff. Wäre τn z.B. viel kleiner, gäbe es mehr Wasserstoff im heutigen Universum
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Ein Messprinzip zur N-Lebensdauer
UCN Speichervolumen UCN Quelle Verschluss 1. Befüllen Eingangsleiter 2. Speichern 3. Zählen Verschluss Ausgangsleiter UCN Detektor
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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
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Prinzip der Messmethode: Speichern von UCN
Beispiel: MAMBO-I Experimentaufbau variables Speichervolumen Breite 40 cm, Höhe 30 cm Länge cm Wände: Fomblin-Beschichtung (wasserstofffreier Polyether aus C4F12O, „flüssiges Teflon“) Wandpotential Fomblin: 100 neV 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
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Beispiel: MAMBO-I Messung der Speicherzeit bei kleinen und bei großen Volumen, Auftragen inverser Werte von Speicherzeit und freier Weglänge (⏏Volumen)
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Extrapolation der Daten auf unendliches Volumen
Beispiel: MAMBO-I Extrapolation der Daten auf unendliches Volumen -> Schnittpunkt mit y-Achse = N-Lebensdauer τn
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zur Erinnerung
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Für Bestimmung von Vud: Neben τn wird noch λ benötigt
Neutronenzerfall Electron Neutron Spin A Für Bestimmung von Vud: Neben τn wird noch λ benötigt -> Messung aus der Paritätsverletzung im N-Zerfall (Koeffizient A, Elektronenasymmetrie, Wu-Experiment)
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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
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UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN
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UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN
Bestimmung der Asymmetrie in den Zählraten A = v/c A0,exp Bestimmung von λ aus A
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zur Erinnerung
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Elektrisches Dipolmoment des Neutrons
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) Zeitumkehr Symmetrie- verletzung Fünf Größenordnungen für neue Physik!
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Eine Analogie zum CPT-Theorem
Über Symmetrien Eine Analogie zum CPT-Theorem 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 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 Translation
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Das nEDM-Experiment am ILL
Experiment: Im Vakuum, bei Raumtemperatur, B-Feld = 1μT, Schildfaktor (Mu-Metall) = , E-Feld = 10 kV/cm Speicherung polarisierter UCN, Messung der Lamorfrequenz von Neutronen im kombinierten E,B-Feld
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Vergleich zweier „Uhren“: Lamorpäzession ν der UCN im
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
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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.)
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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 H. Abele
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Zusammensetzung des Universums
Aktuelle Fragen der Astroteilchenphysik Zusammensetzung des Universums Wir kennen nur 4% des Universums.
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Neue Wege zur UCN-Erzeugung
Inelastische Neutronstreuung und Energieverlust in superthermischen Medien (Konverter) Akkumulation von UCN im Konverter Helium-4 n Superthermisch heisst : Neutronen und Konverter stehen nicht im thermischen Gleichgewicht Prinzipiell erreichbare UCN-Dichten >>100 / cm3 Deuterium Premoderator UCN n Solid deuterium 5K & 97.5 % ortho D2
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Neue Wege zur UCN-Erzeugung
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UCN am TRIGA Mainz Reaktorpuls: 4 x 1015 n cm-2s-1
In Betrieb seit 1965 100 kW im Dauerbetrieb 250 MW im Pulsmodus TRIGA Pulsmodus + superthermische UCN-Quelle + UCN Speicherexperiment ☛ Ideale Kombination Reaktorpuls: 4 x 1015 n cm-2s-1 30 ms, 12 Pulse/Stunde
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UCN am TRIGA Mainz Pulsbarkeit des Reaktors (möglich alle 5 Minuten)
Fester Wasserstoff Temperatur -250 °C Festes Deuterium Temperatur -270 °C UCN-Speicher Experiment Schnelle Neutronen Kalte Neutronen v = 1000 m/s Ultrakalte Neutronen v < 10 m/s 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
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Speicher- Experimente
UCN am TRIGA Mainz TRIGAspec UCN Quelle C Strahl- und Speicher- experimente UCN Quelle D Speicher- Experimente
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UCN am TRIGA Mainz
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