Продолжение (начало №217-218

от 11ноября 2008г.)

Данная публикация в полном объеме будет напечатана в журнале «Вестник Российской Академии Наук» в первом номере 2009 года.

Следующий эксперимент, где методика хранения ультрахолодных нейтронов дает экспериментаторам возможность для прецизионных измерений, это эксперимент по измерению времени жизни нейтрона.

Для точного измерения времени жизни нейтрона вероятность потерь ультрахолодных нейтронов на стенках ловушки должна быть намного меньше вероятности распада нейтрона. К сожалению, первые эксперименты показали, что нейтроны удается хранить в ловушках всего лишь десятки секунд, хотя время жизни нейтрона ~900 секунд. Исследования проблем длительного хранения ультрахолодных нейтронов в материальных ловушках потребовали 10-15 лет. Они последовательно шаг за шагом продвигали экспериментаторов к намеченной цели. В эти исследования были вовлечены ряд групп из разных институтов России – ОИЯИ (Дубна), ПИЯФ (Гатчина), Курчатовский институт (Москва), МИФИ (Московский инженерно-физический институт, Москва), ИТЭФ (Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва), НИИАР (Димитровград). Основная причина потерь ультрахолодных нейтронов при хранении оказалась связанной с наличием водорода, сорбированного на поверхности ловушек. Процесс неупругого рассеяния ультрахолодных нейтронов на водороде приводит к приобретению энергии и вылету нейтрона за пределы ловушки.

Этот процесс был продемонстрирован А.В. Стрелковым (ОИЯИ) в 1978 году в эксперименте, где с помощью наружных счетчиков детектировались “нагретые” нейтроны. Использование низких температур и различные методы подготовки поверхности ловушек позволили значительно улучшить ситуацию с хранением ультрахолодных нейтронов в материальных ловушках. Первый результат для времени жизни нейтрона с ультрахолодными нейтронами был получен в НИИАР В.И. Морозовым в 1986 году. Точность измерений составила 1.5 %.

Мы совместно с коллегами из ОИЯИ решили бороться с неупругим рассеянием на водороде методом охлаждения ловушки до низких температур ~10 К, конечно, после соответствующей обработки поверхности (обезгаживание, дейтерирование и т.п.). Оказалось, что для ловушек с бериллиевым покрытием или цельных бериллиевых ловушек понижение температуры от комнатной до 80-100 К позволяет снизить потери на порядок величины, но дальнейшее понижение температуры не дает никакого эффекта. Уровень потерь ультрахолодных нейтронов 3×10^-5 на одно соударение с поверхностью оказался как минимум на порядок больше ожидаемой величины. Эти потери были названы аномальными. Истинный механизм потерь до сих пор не выяснен.

Другой способ избавиться от значительного количества водорода на поверхности – это нанесение под вакуумом жидких покрытий с очень низким уровнем давления насыщенных паров. Наиболее удачный пример такого покрытия – это фторсодержащее масло (фомблин), где водород замещен на фтор. Однако, оказалось, что для жидких покрытий характерен эффект квазиупругого рассеяния ультрахолодных нейтронов при отражении. Этот эффект приводит к малому изменению энергии ультрахолодных нейтронов, но после многократных соударений нейтрон может покинуть ловушку. Поэтому уровень потерь для таких покрытий тоже оказался ~(3-5)×10^-5.

Наконец, было найдено низкотемпературное фторсодержащее масло, которое может использоваться при низких температурах. Коэффициент потерь ультрахолодных нейтронов для такого покрытия в замороженном состоянии при температуре ~100 К оказался равным 2×10^-6. Этот результат позволил значительно продвинуться в эксперименте по измерению времени жизни нейтрона с помощью ультрахолодных нейтронов.

В 2007 году нами был выполнен наиболее точный (0.1%) эксперимент по измерению времени жизни нейтрона. В этом эксперименте была достигнута вероятность потерь 1% от вероятности распада нейтрона, таким образом удалось наблюдать почти прямой процесс распада нейтрона в ловушке.

Установка была создана совместными усилиями ПИЯФ и ОИЯИ. Впервые она была использована на универсальном источнике холодных и ультрахолодных нейтронов реактора ВВР-М в Гатчине. Вначале охлаждение установки до температур 10-15 К осуществлялось от рефрижератора. В последующем установка была модифицирована по схеме криостата и стала автономной, что позволило выполнить измерения на высокопоточном реакторе ILL в Гренобле. На рисунке представлена схема установки.

Установка представляет собой гравитационную ловушку для ультрахолодных нейтронов, но в то же время она может использоваться и как дифференциальный гравитационный спектрометр. Поэтому отличительной особенностью этой экспериментальной установки является возможность измерять энергетический спектр ультрахолодных нейтронов после хранения в ловушке.

Ловушка хранения ультрахолодных нейтронов 1 установлена в вакуумном объеме криостата 2. Ловушка имеет окно и может вращаться вокруг горизонтальной оси так, что ультрахолодные нейтроны оказываются запертыми гравитацией в ловушке, когда ее окно находится в своем верхнем положении.

Ультрахолодные нейтроны попадают в ловушку через нейтроновод 4, открытый входной клапан и распределительный клапан. Заполнение ловушки ультрахолодным газом происходит тогда, когда она находится в положении "окном вниз". После заполнения ловушка поворачивается до положения "окном вверх". Затем нейтроны удерживаются в ловушке в течение разных, вплоть до 2000 сек. интервалов времени.

Положение (высота) окна ловушки относительно ее дна определяет максимальную энергию ультрахолодных нейтронов, которые могут удерживаться в ловушке. Различным значениям высоты окна соответствуют различные значения энергии ограничения спектра ультрахолодных нейтронов. Спектральная зависимость времени хранения может быть измерена путем последовательных поворотов ловушки до положения "окном вниз". Ловушка удерживалась в каждом промежуточном положении в течение 100-150 с для регистрации ультрахолодных нейтронов в соответствующем диапазоне энергии. Используя подобную процедуру, можно измерять спектр ультрахолодных нейтронов, захваченных в ловушку.

Время жизни нейтрона измерялось методом размерной экстраполяции. Для этого использовались две ловушки ультрахолодных нейтронов с разными размерами. Первая ловушка – квазисферическая диаметром 80 см. Вторая ловушка – цилиндрическая диаметром 76 см и шириной 14 см. Частота соударений нейтронов со стенками во второй ловушке приблизительно в 2.5 раза больше, чем в первой.

Экстраполяция прямых экспериментальных данных (времени хранения ультрахолодных нейтронов в ловушке) к времени жизни нейтрона составляет в этом эксперименте всего лишь 5 секунд. Однако результат экстраполяции отличается от среднего значения всех экспериментов по времени жизни нейтрона (мирового среднего значения =885.7 ± 0.8 с) на 7 секунд, хотя точность экстраполяции составляет 0.8 секунды. Различие между результатом нового эксперимента и средним значением всех экспериментов составляет 6.5 стандартных отклонений и является серьезным противоречием.

Следует заметить, что большинство предыдущих экспериментов были выполнены с использованием жидкого фомблина при комнатной температуре, причем экстраполяция к времени жизни нейтрона составляла 120-130 секунд. Как уже отмечалось, для жидкого фомблина при комнатной температуре наблюдается эффект квазиупругого рассеяния, который может приводить к систематической ошибке. Например, Монте-Карло моделирование выполненное нами для эксперимента с жидким фомблином при комнатной температуре показало, что учет эффекта квазиупругого рассеяния приводит к необходимости введения поправки к конечному результату 7 секунд, после чего результат согласуется с результатом эксперимента с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов.

Однако для окончательного вывода о правомерности нового результата для времени жизни нейтрона необходим независимый эксперимент, желательно, в альтернативной методике и с достаточно высокой точностью. Такой метод существует, это метод магнитного хранения ультрахолодных нейтронов, который был впервые реализован Ю.Г. Абовым в ИТЭФ. Наиболее точные измерения времени жизни нейтрона с использованием магнитного удержания ультрахолодных нейтронов были выполнены недавно на реакторе ILL группой В.Ф. Ежова из ПИЯФ. Они дали результат 878.4 ± 1.8 с и подтвердили наш результат, полученный с гравитационной ловушкой 878.5 ± 0.8 с.

Что дает новый результат для времени жизни нейтрона в проверке Стандартной Модели взаимодействия элементарных частиц и в модели первичного нуклеосинтеза в процессе Большого взрыва при образовании Вселенной? В Стандартной Модели элементарных частиц имеется очень важное понятие – матрица смешивания кварков. В ней содержится вся информация о вариантах смешивания кварков и о вероятности их смешивания. Зная ее, мы можем описать распады элементарных частиц. Элементы матрицы определяются из слабых распадов элементарных частиц. В частности, из b-распада нейтрона определяется первый и наибольший матричный элемент, он соответствует переходу d-кварка в u-кварк. Этот же элемент может быть определен из b-распада ядер, и наконец, он может быть определен исходя из свойства унитарности матрицы, что означает сохранение полной вероятности смешивания кварков. Все три способа измерения матричного элемента должны дать одинаковый результат. Это будет подтверждать справедливость Стандартной Модели. Именно такая ситуация возникает, если использовать новые данные для времени жизни нейтрона и новые данные по асимметрии распада нейтрона. Конечно, использование в таком анализе времени жизни нейтрона из табличных значений (мирового среднего значения этой величины) приводит к очевидным противоречиям. Таким образом, новые измерения времени жизни нейтрона позволили устранить наметившееся противоречие со Стандартной Моделью.

С новым временем жизни нейтрона улучшается также ситуация в модели первичного нуклеосинтеза. Дело в том, что соотношение нейтронов и протонов на начальной стадии нуклеосинтеза определяется скоростью реакций благодаря слабому взаимодействию и температурой термодинамического равновесия. Скорость реакций перехода нейтрона в протон и наоборот определяется теми же величинами, что и распад нейтрона. В дальнейшем процессе распад нейтрона дополнительно изменяет соотношение между нейтронами и протонами. В конечном итоге в этой модели оказываются связанными количество наработанного ⁴Не, барионная асимметрия Вселенной (соотношение нейтронов, протонов к g-квантам) и время жизни нейтрона. Эти же величины являются наблюдаемыми. Совпадение расчетных величин с наблюдаемыми получается лучше в модели первичного нуклеосинтеза, когда используется новое время жизни нейтрона.

К сожалению, в рамках этой статьи нет возможности остановиться на всех экспериментах с ультрахолодными нейтронами. Но, безусловно, должны быть упомянуты гравитационные эксперименты с ультрахолодными нейтронами. Существование квантовых уровней в гравитационном поле Земли для ультрахолодных нейтронов было отмечено В.И  Лущиковым и А.И. Франком, а эксперименты выполнены в ILL коллаборацией ILL-ОИЯИ-ПИЯФ (В. Несвижевский и др.). Другой пример экспериментов с ультрахолодными нейтронами, где используется гравитационное поле, это эксперименты по оптике ультрахолодных нейтронов, выполненные А.И. Франком с сотрудниками на реакторе ILL. Наконец, следует остановиться на последнем эксперименте 2007 года.

В начале статьи мы обсуждали законы симметрии взаимодействий и их связь с возникновением Вселенной. Из-за нарушения пространственной инвариантности в слабом взаимодействии наш мир оказался левым. Причина такого неравноправия левого и правого неизвестна. Стандартная Модель успешно объясняет, как устроено слабое взаимодействие, но не объясняет, почему выбор пал на левый вариант теории. В принципе, если существует левая асимметрия, то почему не может существовать правая, т.е. ее зеркальное отображение. Такие рассуждения приводят к далеко идущим следствиям о возможности существования зеркальных частиц, зеркальной материи и т.д. Они оказываются тем более актуальными в связи с существованием темной материи во Вселенной, которая наблюдается по особенностям гравитационных явлений и имеет распространенность даже в 5 раз больше, чем обычное вещество. Например, имеется гипотеза, что темная материя является зеркальной материей, т.е. существуют два мира (левый и правый), вложенных один в другой, но не взаимодействующих никак иначе, чем гравитационным образом. Тогда происходит восстановление глобальной симметрии левого и правого. Все эти рассуждения имеют очень давнюю историю и стартуют практически с того же момента, что и введение несохранения пространственной инвариантности. Подробно история вопроса изложена в статье Л.Б. Окуня.

Достаточно высокая активность в экспериментальной проверке таких гипотез с помощью нейтронных исследований возникла в 2007 году. Спусковым механизмом явилась теоретическая статья 2006 года, где отмечалось, что осцилляции между нейтроном и зеркальным нейтроном (если он существует) пока не закрыты экспериментально. В течение 2007 года было выполнено три независимых эксперимента, посвященных проверке гипотез об осцилляциях. Наиболее точный результат был получен нашей коллаборацией ПИЯФ-ILL.

Идея эксперимента состоит в следующем. Если нейтрон и его зеркальный партнер имеют строго одинаковую массу и нет внешних полей, с которыми они взаимодействуют по-разному, то их энергетические состояния одинаковы и тогда возможны переходы или осцилляции нейтрон – зеркальный нейтрон.

Ультрахолодный нейтрон хранится в ловушке за счет отражения от ее стенок, но если за время пролета от одной стенки к другой произойдет переход в зеркальное состояние, то зеркальный нейтрон пройдет через стенку ловушки без взаимодействия и покинет ловушку. Для обеспечения условий перехода магнитное поле должно быть равно нулю или быть очень маленьким (<2×10^-4 Эрстеда), а для подавления переходов нужно включить магнитное поле приблизительно такое же, как магнитное поле Земли (0.5 Эрстеда). Таким образом, время хранения нейтрона в ловушке будет зависеть от магнитного поля, если существуют осцилляции нейтрон – зеркальный нейтрон. Измеряя время хранения с точностью 10^-5 для случаев «магнитное поле включено – выключено», можно, например, установить предел на время осцилляций на уровне 500 секунд. В нашем эксперименте был использован магнитный экран и основные элементы нового спектрометра для поиска электрического дипольного момента нейтрона. Измерения проводились в ILL на пучке ультрахолодных нейтронов, подготовленном ПИЯФ для эксперимента по поиску электрического дипольного момента нейтрона. Эффект осцилляций не был обнаружен, а предел на время осцилляций составил 448 с, а соответствующий предел на энергию смешивания составляет 1.4×10^-18 эВ.

Этот результат частично закрывает гипотезы о существовании зеркальной темной материи или взаимодействия, обеспечивающего осцилляции. Но это простейший вариант теории со строго одинаковыми массами частиц. Если природа выбрала более сложный вариант, и массы частиц отличаются, то экспериментальные поиски переходов будут очень сильно затруднены.

Хотелось бы отметить еще одну возможность использования ультрахолодных нейтронов в фундаментальных экспериментах. Это поиск нейтрон-антинейтронных осцилляций. Переход нейтрона в антинейтрон возможен только при нарушении закона сохранения барионного числа. Как уже упоминалось, нарушение барионного числа является одним из условий возникновения Вселенной, сформулированных А.Д. Сахаровым. Изучение этой проблемы не менее принципиально, чем поиск электрического дипольного момента нейтрона. В настоящее время существует предел на время нейтрон-антинейтронных осцилляций 8.6×10⁷ с, который был установлен в эксперименте с холодными нейтронами. Использование ультрахолодных нейтронов может дать увеличение чувствительности эксперимента при условии значительного увеличения (в 10²-10³ раз) плотности ультрахолодных нейтронов. Задача увеличения плотности ультрахолодных нейтронов имеет принципиальное значение для перспектив тех фундаментальных экспериментов, которые мы обсуждали раньше.

После того, как были освоены силовые методы получения ультрахолодных нейтронов, где нужно снимать киловаттные мощности на водородном уровне температур, пришлось рассматривать альтернативные методы при более низких температурах. Снимать киловаттные мощности при температуре 4 К и тем более при температуре 1 К просто нереально, поэтому нужны новые оригинальные решения.

Один из методов состоит в использовании импульсного режима облучения низкотемпературного источника ультрахолодных нейтронов тепловыми нейтронами. В этом методе низкотемпературный замедлитель облучается нейтронами в течение нескольких секунд и ультрахолодные нейтроны наполняют промежуточную ловушку до плотности ультрахолодных нейтронов пропорциональной плотности тепловых нейтронов в импульсе. После завершения импульса затвор на источник закрывается, экспериментаторы могут использовать ультрахолодные нейтроны из ловушки в течение сотен секунд, а низкотемпературный замедлитель в это время охлаждается. Таким образом, найден компромисс между полной мощностью и низкой температурой. В качестве замедлителя и источника ультрахолодных нейтронов может быть использован твердый дейтерий при температуре жидкого гелия 4.5 К. В исследованиях, проведенных нами с твердодейтериевым шестилитровым замедлителем в тепловой колонне реактора ВВР-М, было показано, что дополнительный фактор выигрыша в плотности ультрахолодных нейтронов за счет понижения температуры от 20 К до 4.5 К составляет 10÷12 раз. Импульсный режим облучения тепловыми нейтронами может быть реализован на нейтронном источнике на ускорителе, где тепловые нейтроны получаются при облучении свинцовой мишени протонным пучком с энергией ~600 МэВ. Наиболее интенсивный в Европе пучок протонов (2 мА) с энергией 600 МэВ имеется в PSI (Paul Scherrer Institute, Швейцаря). Проект источника ультрахолодных нейтронов по описанной выше схеме был разработан совместными усилиями ПИЯФ и PSI. В настоящее время в PSI проект реализуется. Ожидаемая плотность в ловушке 3×10³ n/см³. Для России такой проект не подходит, т.к. нет сильноточных (несколько мА) ускорителей с такой энергией протонов.

Но есть другой метод, который можно успешно использовать на реакторе ВВР-М. Это метод получения ультрахолодных нейтронов с помощью сверхтекучего гелия. Сверхтекучий гелий – это замечательная квантовая жидкость, имеющая удивительные свойства сверхтекучести и сверхтеплопроводности. Не менее удивительны, но менее известны особенности взаимодействия сверхтекучего гелия с нейтронами. Сверхтекучий гелий обладает колоссальной прозрачностью для нейтронов низких энергий. Это свойство было отмечено в работе И.Я. Померанчука и А.И. Ахиезера в 1945 году. На возможность использования сверхтекучего гелия для получения ультрахолодных нейтронов обратили внимание Р. Голуб и Д.М. Пендлебери в 1977 году.

Суть дела достаточно проста. Знаменитая кривая Ландау, связывающая энергию и импульс возбуждений (фононов, ротонов) в сверхтекучем гелии пересекается с кривой для нейтрона в одной точке. Эта точка соответствует энергии возбуждения (в единицах температуры) 12 К. Это означает, что ультрахолодный нейтрон может “поглотить” только фонон с энергией 12 К. Таких фононов при температуре сверхтекучего гелия 1 К практически нет, т.к. энергия возбуждения много больше, чем температура гелия. Этим и объясняется исключительная прозрачность сверхтекучего гелия для ультрахолодных нейтронов. Действительно, ультрахолодные нейтроны могут “жить” в сверхтекучем гелии до поглощения фонона десятки и сотни секунд. Ультрахолодные нейтроны “рождаются” в гелии из холодных нейтронов с длиной волны 9 Å или энергией 12 К, которая как раз равна энергии фонона, т.е. холодный нейтрон возбуждает фонон и сам практически останавливается, становясь ультрахолодным. Холодные нейтроны проникают через стенку ловушки, а ультрахолодные отражаются, поэтому возможен эффект накопления ультрахолодных нейтронов до плотности определяемой временем хранения в ловушке с гелием.

Эксперименты по накоплению ультрахолодных нейтронов в ловушках со сверхтекучим гелием успешно выполнены на пучках холодных нейтронов во Франции и Японии. Уже на пучке удалось получить плотность ультрахолодных нейтронов сравнимую с плотностью, выведенной от источника в реакторе. Расходимость пучка нейтронов очень мала по отношению к 4p. В условиях облучения 4p можно выиграть 3-4 порядка величины. Возникает вопрос в каких условиях облучения может работать источник на основе сверхтекучего гелия, какую мощность можно снимать при температуре около 1 К? Известно, что со сверхпроводящих магнитов при температуре 1.8 К удается снимать киловаттные мощности. Такие установки грандиозны и очень дорогостоящи. Мы можем ставить задачу о удалении мощности 10-20 ватт при температуре 1.2 К, тогда эта задача решается с помощью доступного гелиевого ожижителя с производительностью 50 литров жидкого гелия в час и с помощью системы вакуумной откачки паров гелия, чтобы получить температуру 1.2 К. Для успешного решения задачи нужно найти компромисс между уровнем тепловыделения и нейтронным потоком.

На реакторе ВВР-М ПИЯФ имеются весьма подходящие условия для решения такой задачи. Это наличие тепловой колонны реактора, которая представляет собой канал большого диаметра (1 метр), примыкающий к активной зоне реактора. Такой диаметр канала позволяет расположить мощную свинцовую защиту от g-излучения активной зоны реактора, графитовый предзамедлитель при температуре 20 К, чтобы получать холодные нейтроны, и наконец, собственно источник ультрахолодных нейтронов на основе сверхтекучего гелия при температуре 1.2 К. Способ удаления радиационного тепла основан опять же на свойствах сверхтекучего гелия. В этой квантовой жидкости нет необходимости организовывать принудительную циркуляцию для удаления тепла, потому что эта удивительная жидкость разумно устроена: так, что сверхтекучая компонента идет туда, где тепло, а нормальная компонента идет навстречу, и они друг другу не мешают.

В настоящее время у нас разработан проект источника ультрахолодных нейтронов для реактора ВВР-М. Проведены детальные расчеты, в которых показано, что в свинцовой защите источника будет выделяться 15 кВт, которые легко удаляются циркуляцией воды, в графитовом замедлителе будет выделяться 700 Вт, которые будут удаляться протоком газообразного гелия при температуре 20 К, и, наконец, самое главное, в источнике со сверхтекучим гелием будет выделяться 19 Вт. Как уже отмечалось, такая мощность на уровне 1.2 К может быть удалена с помощью доступных криогенных установок. Монте-Карло расчеты плотности ультрахолодных нейтронов показывают, что в экспериментальной установке (например, в ловушке ЭДМ спектрометра) можно получить плотность ультрахолодных нейтронов ~4×10³ n/см³. Это означает, что ультрахолодных нейтронов будет в 500 раз больше, чем на реакторе ILL. Тем самым мы сможем вернуть России приоритеты в области ультрахолодных нейтронов и значительно продвинуться в фундаментальных исследованиях с ультрахолодными нейтронами. Схема пучков реактора ВВР-М после постановки источника ультрахолодных нейтронов представлена на рисунке. Надо сказать, что, как и всегда, фундаментальная физика должна давать побочный продукт в прикладных исследованиях. Также и в этом случае, т.к. для того чтобы получать ультрахолодные нейтроны, мы сначала должны сделать их холодными. Это означает, что кроме зала ультрахолодных нейтронов, можно сделать еще зал холодных нейтронов, где можно заниматься исследованиями структуры вещества и подготовкой приборов для нового строящегося в ПИЯФ реактора ПИК.

Нейтроноводные залы реактора ВВР-М после постановки источника холодных и ультрахолодных нейтронов. I – зал ультрахолодных нейтронов (500 Å); II – зал очень холодных нейтронов (50-100 Å); III – зал холодных нейтронов (4-15 Å). 1-5 – установки для фундаментальных исследований. 6-11 – установки для исследования наноструктур.

В принципе мы всегда использовали ВВР-М как полигон подготовки приборов для реактора ПИК. На тепловых нейтронах это сделано, но холодных нейтронов как раз не хватало, чтобы программа подготовки была полной. На пучках холодных нейтронов можно изучать наноструктуры – актуальное сейчас направление нанотехнологий, которое начинает финансироваться. Поднять проект, который направлен на фундаментальные и прикладные задачи будет легче совместными усилиями. Стоимость проекта исчисляется несколькими сотнями миллионов рублей на 3-4 года. Эффект, который должен быть получен значительно окупит затраты, т.к. имеется реактор и давно сложившаяся инфраструктура вокруг, технический персонал и физики.

В настоящее время сделан первый технический шаг в этом направлении: 5 марта 2008 года запущен рефрижератор фирмы “Linde” на 20 К и 3 кВт мощности, который предназначен для охлаждения графитового предзамедлителя.

Мы предполагаем, что реализация этого проекта позволит сделать лучший в мире источник ультрахолодных нейтронов.

Автор статьи признателен В.М. Лобашеву и коллегам, с которыми были достигнуты важнейшие результаты, В.А. Назаренко, оказавшему значительную поддержку этим исследованиям, Е.Б. Александрову за сотрудничество в области магнитометрии.

А.П. Серебров

доктор физ.-мат. наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ.