Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.gpad.ac.ru/collaborations/pnpi/ezhov.doc Дата изменения: Wed Jul 5 09:06:42 2006 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:26:41 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: eridanus

Хранение ультрахолодных нейтронов в магнитной ловушке из постоянных
магнитов.
(Коллаборация ПИЯФ РАН (Россия), Мюнхенский Технический Университет
(Германия), Институт Лауэ-Ланжевена (Франция)).

Прецизионное измерение времени жизни свободного нейтрона (n в
экспериментах при низких энергиях имеет принципиальное значение для физики
элементарных частиц и космологии. При бета-распаде нейтрона на протон,
электрон и антинейтрино d-кварк переходит в u-кварк. В Стандартной модели
смешивание кварков описывается с помощью унитарной матрицы CKM (Cabibbo-
Kobayashi-Maskawa). Среднее мировое значение времени жизни нейтрона,
установленное Particle Data Group (PDG) [1] составляет (n = 885.7 ( 0.8 s.
Это значение, в основном определяемое экспериментами с хранением
ультрахолодных нейтронов (УХН) в материальных ловушках, вместе с последним
значением для величины асимметрии в распаде нейтрона A = -0.1189 ( 0.0007
[2] приводит к отклонению от условия унитарности для матрицы СКМ. Более
того, после последнего эксперимента группы А.П.Сереброва [3], в котором
была достигнута рекордная точность для времени жизни нейтрона (n = 878.5 (
0.8 s, ситуация стала еще более запутанной, поскольку этот результат более,
чем на 6 стандартных ошибок отличается от среднемирового значения. Значение
времени жизни нейтрона также важно для космологии. В космологических
теориях Большого взрыва оно напрямую завязано с относительной
распространенностью гелия во Вселенной.
Основной систематический эффект в экспериментах по измерению времени
жизни нейтрона методом хранения УХН в материальных ловушках обусловлен
наличием так называемых аномальных потерь нейтронов при их соударениях со
стенками сосуда. Природа этих потерь до конца не изучена, и трудно
надеяться на большой прогресс в этом в ближайшее время. Именно это
обстоятельство и стало основным стимулом при создании магнитных ловушек для
удержания УХН.
Возможность хранения нейтронов в магнитных ловушках обсуждалась еще
на заре их открытия В.Паулем и В.В.Владимирским [4,5]. В подобных системах
УХН определенной поляризации отражаются магнитным барьером и не испытывают
соударений со стенками. Таким образом, в магнитных ловушках возможность
аномальных потерь УХН при отражении от стенки исключена принципиально.
Задача же сводится к созданию магнитостатических систем, в которых
магнитное поле нарастает во всех направлениях.
В настоящее время подобные ловушки широко применяются в атомной физике.
Наиболее известна ловушка типа Иоффе-Притчарда, которая представляет собой
магнитный квадруполь (или секступоль), создающий отражающий барьер в
радиальном направлении и два соленоида на концах квадруполя, создающие
отражающие градиенты на оси квадруполя вблизи его торцов. Напуск и выпуск
частиц в нее может быть осуществлен путем выключения тока в одном из
запирающих соленоидов.
Подобная система реализована группой из Лос-Аламоса и для УХН [6].
Основной сложностью при создании ловушки для УХН является то, что величина
магнитного момента нейтрона на три порядка меньше атомного магнитного
момента. Соответственно, величины магнитных полей, необходимых для
удержания УХН также на три порядка больше. Поэтому в упомянутой реализации
авторы использовали сверхпроводящие магнитные системы. Однако
сверхпроводящие системы имеют два существенных недостатка. Первый связан с
тем, что ток в них изменяется медленно. Это приводит к тому, что после
напуска УХН в ловушку требуется слишком большое время для перекрытия
входного отверстия. Для борьбы с этим недостатком авторы упомянутого
эксперимента отказались от впускных и выпускных отверстий и применили метод
рождения УХН непосредственно внутри ловушки при рассеянии тепловых
нейтронов на пленке сверхтекучего гелия, которым были покрыты стенки
ловушки. Второй обусловлен относительно малым объемом сверхпроводящих
систем. Статистическая же точность экспериментов по измерению времени жизни
нейтрона в первую очередь обусловлена объемом ловушки. Увеличение же объема
сверхпроводящей ловушки приводит к непомерному увеличению ее стоимости. Так
объем ловушки Лос-Аламоса составил всего 0.28 л (диаметр 3 см и длина 40
см), величина же магнитного барьера 1.1 Т. При плотности УХН 1.8(0.3 /см3,
авторы имели 400(65 штук УХН за один напуск.
С практической точки зрения такая конструкция магнитной ловушки
представляется необоснованно сложной, поскольку в несверхпроводящих токовых
магнитных системах легко достигаются аналогичные величины магнитных полей
при значительно больших объемах ловушек. Более того, современные магнитные
материалы допускают создание ловушек больших объемов с такими полями на
основе постоянных магнитов. Одна из возможных конструкций ловушки на основе
постоянных магнитов и применена в настоящей работе.
Современная технология позволяет создавать постоянные магниты с
индукцией насыщения 1.4 Т и более. На основе таких магнитов в ПИЯФ РАН
совместно с группой из Мюнхенского Технического Университета и Института
Лауэ-Ланжевена (Гренобль) была создана магнитная ловушка с величиной
магнитного поля на стенке порядка 1 Т [7].
1. Конструкция ловушки
Магнито-гравитационная ловушка представляет собой двадцатиполюсную
цилиндрическую магнитную систему, состоящую из магнитов Nd-Fe-B,
намагниченных в азимутальном направлении (причем соседние магниты
намагничены в противоположных направлениях) и полюсов из пермендюра между
ними. Для увеличения поля за полюсными наконечниками расположены
дополнительные магниты, намагниченные в радиальном направлении. В нижней
части цилиндрический двадцатиполюсник переходит в конический с отверстием в
вершине для выпуска УХН. Вся магнитная система расположена непосредственно
внутри вакуумной камеры. Нейтроновод заканчивается в вершине конической
части. Апертура выходной части нейтроновода перекрывается магнитным полем
соленоида, расположенного под ловушкой.
2. Топография магнитного поля
Магнитное поле на стенке ловушки не ниже 1 Т. Спадание поля по
радиусу характеризуется величиной порядка 2 Т/см. Для исключения нулей
магнитного поля на оси ловушки поверх вакуумной камеры намотан
дополнительный вертикальный соленоид.
3. Методология эксперимента
Постановка эксперимента по измерению времени хранения УХН в магнитной
ловушке аналогична экспериментам с материальной ловушкой. Ловушка
наполняется с использованием нейтронного лифта, представляющий собой полый
алюминиевый цилиндр, который опускается внутрь ловушки. После наполнения
неполяризованными нейтронам половина нейтронов вытекает из ловушки,
поскольку только нейтроны одной поляризации могут храниться в магнитной
ловушке. Стенки ловушки покрыты фомблином, ядерный барьер, которого
превышает энергию нейтронов в ловушке, поэтому нейтроны могут вытекать
только через магнитный барьер, который перекрывает нейтроновод,
заканчивающийся детектором. Таким образом, нейтроны, зарегистрированные в
процессе наполнения дают отличный монитор для контроля количества нейтронов
оставшихся в ловушке при каждом цикле наполнения. После цикла наполнения
следует цикл очистки нейтронного спектра от нейтронов, энергия которых
превышает высоту магнитного барьера. Эти нейтроны могут вытекать через
нижний магнитный барьер. Для используемой геометрии ловушки для эффективной
очистки спектра через нижний барьер требуется не менее 400 с.
Использование магнитного хранения УХН для измерения времени жизни
нейтрона имеет одну замечательную особенность. Основным каналом возможных
потерь УХН при их хранении в магнитной ловушке является деполяризация, т.е.
переворот магнитного момента нейтрона относительно направления магнитного
поля. Нейтроны с такой ориентацией магнитного момента не отражаются
магнитным барьером, а ускоряются в нем. Таким образом, при прохождении
магнитного барьера энергия нейтронов возрастает на величину, равную высоте
барьера. Поскольку максимальная энергия хранящихся УХН не превышает высоты
барьера, то энергия нейтронов, прошедших барьер, не превысит удвоенную
высоту барьера. Для барьера высотой 1 Т эта энергия соответствует энергии
нейтронов, движущихся со скоростью 4.8 м/с. Из этого следует, что при
покрытии стенок ловушки слоем фомблина, величина граничной скорости
которого близка к 4.8 м/с, деполяризованные нейтроны будут продолжать
храниться в магнитной ловушке, как в материальной. После нескольких
отражений от стенок такие нейтроны попадут в нейтроновод, который перекрыт
только магнитным барьером, и будут зарегистрированы детектором. Таким
образом, магнитное удержание нейтронов предоставляет уникальную возможность
контролировать основной канал потерь нейтронов при их хранении в ловушке.
В 2004-2005 гг. ловушка из постоянных магнитов для хранения
ультрахолодных нейтронов (УХН), изготовленная в ПИЯФ РАН была испытана на
пучке УХН в Гренобле. Высота ловушки 50 см, а объем 16 л [8]. Создана новая
система наполнения магнитной ловушки. Нейтронами заполнятся алюминиевый
сосуд, который затем опускается внутрь ловушки. Скорость опускания сосуда
удовлетворяет условию адиабатичности, поэтому в процессе опускания не
происходит нагрева нейтронов. Иными словами такая система представляет
собой лифт для нейтронов. На пучке УХН Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле
в течении апреля-августа 2005 г измерено время удержания нейтронов в этой
ловушке. Измеренная величина составила 874.6 ( 1.6 с. Данное значение
близко к периоду полураспада нейтрона. Никаких потерь, обусловленных
деполяризацией нейтронов при их хранении в ловушке, не обнаружено. Подобная
точность позволяет в прямом эксперименте разрешить проблему имеющихся на
сегодня экспериментальных расхождений в данных по измерению времени жизни
нейтрона. Таким образом, впервые осуществлено хранение ультрахолодных
нейтронов в ловушке из постоянных магнитов и доказана перспективность ее
использования для увеличения точности экспериментов по измерению времени
жизни нейтрона.
В заключении необходимо отметить, что возможность хранения нейтронов в
магнитной ловушке обсуждалась более 50-и лет. Тем не менее, только в данном
проекте реально создана магнитная система, которая может успешно
конкурировать с лучшими материальными ловушками. Основные результаты этих
экспериментов доложены в 2005 г на Международных конференциях PANIC в США и
3-ем Санданьском Совещании по ядерной физике в Болгарии и по ним
подготовлены 3 публикации.

[1] S. Eidelman et al. [Particle Data Group], Phys. Lett. B 592, 1
(2004).
[2] H. Abele et al., Eur. Phys. J. C 33, 1 (2004).
[3] A. Serebrov et al., Phys. Lett. B 605, 72 (2005).
[4] W. Paul, Proc. Int. Conf. Nuclear Physics and Physics of Fundamental
Particles, Chicago, 1951, p. 172.
[5] V.V. Vladimirskii, Sov.Phys. JETP 12, 740 (1961).
[6] P.R. Huffman et al., Nature 403, 62 (2000).
[7] V.F. Ezhov, B.A. Bazarov, P. Geltenbort, et al., Tech. Phys. Lett.
27, 1055 (2001).
[8] V.F. Ezhov et al., J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 110 (2005).