Сконструирован удобный источник ультрахолодных нейтронов

27.09.11 Французские физики из Института Лауэ — Ланжевена (Франция) сконструировали источник ультрахолодных нейтронов (УХН) на основе сверхтекучего гелия-4.

Ультрахолодными называют медленные нейтроны со скоростями, не превышающими 5 м/с, и кинетическими энергиями Е ≤ 10–7 эВ. УХН имеют чрезвычайно интересную с экспериментальной точки зрения способность к полному отражению от поверхности при любых углах падения. Отражаясь от стенок вакуумированной камеры, они могут достаточно долго храниться в виде своеобразного нейтронного газа.

Эти свойства делают УХН незаменимым элементом сложнейших опытов, результаты которых могут скорректировать некоторые положения физики частиц и космологии. Хорошим примером таких исследований служат попытки наблюдения квантовых состояний нейтронов в гравитационном поле, о которых мы рассказывали в начале года, и поиски электрического дипольного момента нейтрона. Кроме того, УХН используются при измерении времени жизни нейтронов, необходимого теоретикам для построения модели нуклеосинтеза при Большом взрыве.

Удобный и универсальный источник УХН должен обеспечивать накопление нейтронов, концентрацию их до высокой плотности и контролируемое извлечение. Один из лучших «традиционных» источников на жидком дейтерии, установленный в Институте Лауэ — Ланжевена, даёт плотность УХН, которая измеряется лишь несколькими десятками частиц на кубический сантиметр. Поскольку это значение экспериментаторов уже не устраивает, французские учёные развивают новый метод — рождение ультрахолодных нейтронов в сверхтекучем гелии-4.

Гелий интересен тем, что он не поглощает нейтроны и (при низкой температуре) практически не имеет возбуждений, которые могут нагревать частицы. Согласно теории, УХН в 4Не должны рождаться от нейтронов с длиной волны около 0,89 нм (Е ≈ 1 мэВ), отдающих свою энергию и импульс на возбуждение фонона. Расчётная плотность УХН, достижимая с использованием гелия-4, достигает нескольких тысяч на кубический сантиметр.

В 2007 году авторы доказали, что методика работает, продемонстрировав извлечение накопленных УХН из преобразователя на сверхтекучем 4Не. В схеме установки, показанной на рисунке выше, отмечены пучок холодных нейтронов от исследовательского реактора (1); коллимирующая система (2); камера из нержавеющей стали (3); клапан для извлечения УХН (4); трубка, по которой выходят УХН (5); детектор (6); холодный нейтрон, преобразованный в УХН (7); траектория движения захваченного в камере УХН (8) и герметизирующие никелевые фольги (9). Этот прототип имел относительно небольшой объём в 2,4 л и обеспечивал охлаждение преобразователя до 0,7 К.

Конструируя следующий вариант установки, описанный в свежем номере Physical Review Letters, учёные устранили некоторые недостатки прототипа и увеличили объём преобразователя до пяти литров. Как показали опыты, за один сеанс накопления новый источник может набирать как минимум 274 000 УХН, что соответствует очень достойной плотности в ~55 частиц на кубический сантиметр. Источник также был испытан в циклическом режиме работы, подтвердив свою надёжность.