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

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Präsentation zum Thema: "Physik mit Ultrakalten Neutronen Ein neues Forschungsgebiet an der JGU Mainz Universität Mainz, Institut für Kernchemie."—  Präsentation transkript:

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 Gravitation ΔE n = 100 neV/m Magnetische Felder ΔE n = 60 neV/T Starke Wechselwirkung V < 350 neV UCN können gespeichert werden in Gravitations- und magnetischen Feldern, sowie zwischen Materialwänden Material V (neV) Aluminium54 58 Nickel350 nat. Nickel250 Beryllium250 C - Graphite180 C - DLC282 C - Diamant304 SiO 2 (Quartz)110 Kupfer170 Edelstahl188 Eisen220

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 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 m: Neutronenmasse N: Teilchenzahldichte a: kohärente Streulänge σ abs : Absorptionsquerschnitt v: Neutronengeschwindigkeit

7 UCN-Reflektion am Beispiel Nickel E UCN Reflektivität nahe bei 100% E UCN > 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: n /cm 2 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)

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

14 Zerfallsschema des Neutrons Zwei Zerfallswege (interferierend) Fermi-Übergang, paritätserhaltend, Δ I =0, Kopplung g v Gamov-Teller-Übergang, p-verletzend, Δ I = 1, Kopplung g a Ein Kopplungsparameter: λ=g a /g v Δ I =0 ΔI=1ΔI=1

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

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

17 Bestimmung von V ud aus Daten des N-Zerfalls Problem: Je kleiner die N-Lebensdauer τ n, je größer der daraus abgeleitete Wert für V ud und damit die Abweichung von V ud Werten aus anderen Messungen

18 Der Urknall des Universums und die Neutronenlebensdauer

19 Die ersten drei Minuten Neutronen Protonen

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

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

22 Speicherkurve und Speicherzeit Prinzip dieser Messmethode: Counting the survivors Idealfall: Gemessene Speicherzeit = N-Lebensdauer τ n Problem: Gemessene Speicherzeit ist immer beeinflusst von anderen Verlustkanälen (z.B. Absorption) und damit kleiner als τ n

23 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 cm  Wände: Fomblin-Beschichtung (wasserstofffreier Polyether aus C 4 F 12 O, „flüssiges Teflon“)  Wandpotential Fomblin: 100 neV

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

25 Extrapolation der Daten auf unendliches Volumen -> Schnittpunkt mit y-Achse = N-Lebensdauer τ n Beispiel: MAMBO-I

26 zur Erinnerung

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28 Electron Neutron Spin A Neutronenzerfall Für Bestimmung von V ud : Neben τ n wird noch λ benötigt -> Messung aus der Paritätsverletzung im N-Zerfall (Koeffizient A, Elektronenasymmetrie, Wu-Experiment)

29 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

30 UCNA – Messung des Koeffizienten A mit UCN

31 Bestimmung der Asymmetrie in den Zählraten A = v/c Ÿ A 0,exp Bestimmung von λ aus A

32 zur Erinnerung

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

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

36 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

37 Prinzip der Messung Vergleich zweier „Uhren“: Lamorpäzession ν der UCN im B 0 -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

38 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.)

39 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

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

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42 UCN Premoderator Solid deuterium 5K & 97.5 % ortho D 2 n n Inelastische Neutronstreuung und Energieverlust in superthermischen Medien (Konverter) Akkumulation von UCN im Konverter Helium-4 Deuterium Neue Wege zur UCN-Erzeugung Superthermisch heisst : Neutronen und Konverter stehen nicht im thermischen Gleichgewicht Prinzipiell erreichbare UCN-Dichten >>100 / cm 3

43 Neue Wege zur UCN-Erzeugung

44 In Betrieb seit kW im Dauerbetrieb 250 MW im Pulsmodus Reaktorpuls: 4 x n cm -2 s ms, 12 Pulse/Stunde TRIGA Pulsmodus + superthermische UCN-Quelle + UCN Speicherexperiment ☛ Ideale Kombination UCN am TRIGA Mainz

45 UCN-Quelle TRIGA-Puls Schnelle Neutronen Ultrakalte Neutronen v < 10 m/s Fester Wasserstoff Temperatur -250 °C Festes Deuterium Temperatur -270 °C 3 m Kalte Neutronen v = 1000 m/s UCN-Speicher Experiment Pulsbarkeit des Reaktors (möglich alle 5 Minuten) UCN-Physik am TRIGA Mainz In dieser Kombination weltweit einzigartig Befüllen des UCN-Speichers (im Experiment alle 5-30 Minuten) UCN am TRIGA Mainz

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

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