Установка для измерения времени жизни нейтрона с большой гравитационной ловушкой при низкой температуре

А.П. Серебров, Е.А. Коломенский, А.К. Фомин, А.О. Коптюхов, И.А. Краснощекова, А.В. Васильев, Д.М. Прудников, И.В. Шока, А.В. Чечкин, М.Е. Чайковский, В.Е. Варламов, С.Н. Иванов (+6 others)
2019 Журнал технической физики  
Наиболее точное в настоящее время измерение времени жизни нейтрона проведено в ПИЯФ с удержанием ультрахолодных нейтронов в гравитационной ловушке. Представлена модернизация установки с большой гравитационной ловушкой с охлаждением до температуры 10−15 K. Представлены результаты измерений температурной зависимости потерь ультрахолодных нейтронов при столкновении со стенками, покрытыми перфторированной пастой Fomblin UT 18 в диапазоне температур 300−77 K. Приведены оценки возможных теплопритоков
more » ... ожных теплопритоков к ловушке и показана возможность достижения указанного уровня температур в описанной конструкции. Введение Измерение времени жизни свободного нейтрона остается важной экспериментальной проблемой. Время жизни нейтрона напрямую используется в расчетах распространенности легких ядер при первичном ядерном синтезе в космологических моделях [1, 2] . В комбинации с измерениями корреляционных коэффициентов в бета-распаде нейтрона время жизни нейтрона используется для определения векторной G V и аксиально-векторной G A констант слабого взаимодействия [3] [4] [5] . Эти константы, в свою очередь, необходимы для расчетов потоков солнечных и реакторных нейтрино [6,7], а также для проверки унитарности матрицы Кабиббо−Кобайяши−Маскавы в Стандартной Модели и поиска Новой Физики вне Стандартной Модели [8] . Для измерения времени жизни свободного нейтрона используются в основном два метода. В одном методе на пучке холодных нейтронов (скорость v ≈ 1000 m/s, энергия E ≈ 5 meV) регистрируются продукты распада нейтронов в области пролета и тем самым определяется число распавшихся нейтронов [9] [10] [11] [12] . В другом методе ультрахолодные нейтроны (УХН) (скорость v < 7 m/s, E < 250 neV) удерживаются длительное время в специальной ловушке и регистрируется число нейтронов, оставшихся в ловушке после определенного интервала времени. Наилучшая точность определения времени жизни нейтрона получена в ПИЯФ в эксперименте с гравитационной ловушкой [13, 14] . Для создания сосудов хранения нейтронов используется или отражение нейтронов от вещества с положительной длиной когерентного рассеяния [15] [16] [17] [18] , или отражение нейтронов при взаимодействии магнитного момента нейтрона с градиентом магнитного поля [19, 20] , или комбинация этих методов с использованием взаимодействия нейтронов с гравитационным полем Земли [13,20-23]. В последнем случае кинетическая энергия нейтронов ограничена величиной потенциальной энергии в гравитационном поле, соответствующей высоте ловушки. Длительность удержания в принципе ограничивается распадом нейтрона. В идеализированном представлении процесса отражения нейтронов поверхность вещества представляется ступенчатым барьером с высотой, соответствующей величине оптического потенциала. Коэффициент отражения от поверхности зависит от компоненты кинетической энергии, определяемой составляющей скорости нейтрона, направленной перпендикулярно поверхности ловушки, и потерями в материале стенок ловушки, которые определяются мнимой частью нейтронно-оптического потенциала. В эксперименте регистрируется число нейтронов N 1 и N 2 , оставшихся в ловушке после различных времен удержания t 1 и t 2 , и вычисляется постоянная времени удержания τ st = (t 2 − t 1 )/ ln(N 1 /N 2 ) в предположении экспоненциальной зависимости числа нейтронов в ловушке от времени. Полную вероятность потерь УХН τ −1 st можно представить в виде суммы двух частей: вероятности бета-распада τ −1 n , не зависящей от столкновений нейтронов со стенками ловушки, и вероятности потерь в стенках ловушки τ −1 los s , зависящей от частоты 314
doi:10.21883/jtf.2019.02.47089.118-18 fatcat:v4d33qn7yvd2hjoqwfo5wabvba