Автор предлагаемой публикации - Серебров Анатолий Павлович - заведующий отделом нейтронной физики Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ.

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

Нейтроны очень низких энергий (~10^-7 эВ), которые принято называть ультрахолодными, обладают уникальным свойством – их можно хранить в материальных и магнитных ловушках. Это явление дает новые методические возможности для проведения прецизионных экспериментов и изучения фундаментальных вопросов физики взаимодействия элементарных частиц. Такое научное направление исследований с ультрахолодными нейтронами возникло 40 лет назад. Данное сообщение посвящено истории, результатам и перспективам исследований. Центральное место в этом сообщении занимают результаты, полученные в ПИЯФ (Петербургский Институт Ядерной Физики им. Б.П. Константинова РАН). Публикуемая ниже статья написана на основе научного сообщения, заслушанного на заседании Президиума РАН.

Существует общее представление, что нейтроны это частицы, легко проходящие через вещество из-за их нейтральности. Действительно, они были открыты благодаря этому экспериментальному факту. Однако нейтроны очень низких энергий, имеющие большую длину волны де-Бройля ~ 500 ÷ 1000 Å, взаимодействуют с веществом когерентным образом и отражаются от вещества с очень высокой вероятностью ~ 99.99%. Этот эффект позволяет удерживать нейтроны в материальных ловушках, транспортировать ультрахолодные нейтроны по трубам (нейтроноводам) подобно газу при исключительно низком давлении. Эффективная температура газа таких нейтронов 10^-3 К, поэтому их называют ультрахолодными. Описанные выше свойства ультрахолодных нейтронов были отмечены Я.Б.Зельдовичем в 1959 году.

Когерентное рассеяние нейтронов низких энергий на ядрах вещества приводит к тому, что внутри вещества возникает эффективный потенциал на уровне (1¸2)×10^-7 эВ. Нейтроны с энергией меньшей, чем потенциал вещества, оказываются запертыми в потенциальном ящике, т.е. в ловушке, приготовленной из вещества. Таким образом, мы можем хранить нейтроны.

Удержание нейтронов возможно также и в магнитной ловушке сложной мультипольной формы, за счет взаимодействия магнитного момента нейтрона с магнитным полем. В такой ловушке будут удерживаться нейтроны только одной поляризации. Потенциал на стенке магнитной бутылки тоже составляет приблизительно 1×10^-7 эВ. Возможность удержания ультрахолодных нейтронов в магнитных ловушках была отмечена В.В. Владимирским в 1960 году.

Ультрахолодные нейтроны действительно можно транспортировать по трубам (нейтроноводам). Коэффициент отражения ультрахолодных нейтронов весьма высок, поэтому нейтрон может совершить несколько тысяч соударений прежде, чем быть потерянным (поглощенным или неупруго рассеянным) на стенках ловушки. При длине пробега между стенками ~10 см общая длина пути ультрахолодного нейтрона может составлять несколько сотен метров. Важно обеспечить направленное движение нейтрона от источника к экспериментальной установке, поэтому нейтроноводы должны иметь зеркальную поверхность с высоким потенциалом отражения.

Наконец, ультрахолодные нейтроны весьма чувствительны к гравитационному полю Земли. Высота, на которую может “взлететь” ультрахолодный нейтрон составляет 1-2 м. Поэтому энергию ультрахолодных нейтронов можно измерять с помощью гравитационных спектрометров.

Таким образом, ультрахолодные нейтроны – самые легко управляемые и безопасные нейтроны, хотя нельзя сказать то же самое об остальных нейтронах нейтронного спектра.

Первый эксперимент по выводу ультрахолодных нейтронов из реактора был осуществлен в 1968 г. в ОИЯИ (Объединенный институт ядерных исследований, Дубна) Ф.Л.Шапиро с сотрудниками. Ставилась цель использовать ультрахолодные нейтроны для поиска электрического дипольного момента нейтрона. Это принципиально важная задача физики взаимодействия элементарных частиц.

За рубежом годом позже ультрахолодные нейтроны были выделены из нейтронного спектра с более прозаическими целями – исследование рассеяния нейтронов низких энергий (А. Штейрл, Мюнхен, 1969 г.).

В течение 70-80х годов экспериментальные методы использования ультрахолодных нейтронов интенсивно развивались. В этот процесс были вовлечены многие институты нашей страны и за рубежом. Экспериментально полученная плотность ультрахолодного нейтронного газа была увеличена на 8 порядков величины и достигла 40 нейтронов/см³. Очень эффективный метод получения ультрахолодных нейтронов – это термализация нейтронов, т.е. достижение температурного равновесия между нейтронным газом и средой. В среде с низкой температурой доля ультрахолодных нейтронов в спектре может быть увеличена в десятки и сотни раз. Вплоть до 1986 г. лидирующее положение принадлежало ПИЯФ, где были разработаны источники ультрахолодных нейтронов с низкотемпературными замедлителями из бериллия, жидкого водорода и дейтерия. В 1986 году жидкодейтериевый источник ультрахолодных нейтронов был установлен на высокопоточном реакторе ILL (Institute Laue – Langevin, Гренобль, Франция). В том же году у нас на реакторе средней мощности в ПИЯФ (г. Гатчина) был установлен жидководородный источник в центре активной зоны реактора, который кроме ультрахолодных нейтронов позволял получать наиболее интенсивный пучок поляризованных холодных нейтронов.

При создании этого источника пришлось решить очень сложную инженерно-техническую задачу. Нужно было снять тепловыделение 2 кВт с 1 л жидкого водорода при температуре 18-20 К. Для уровня температур жидкого водорода и при объеме 1 л эта задача становится экстремально сложной. Такое большое количество тепла может быть удалено только благодаря быстрому протоку самого жидкого водорода через источник. С этой целью была сделана циркуляционная петля, в одном плече которой находится теплообменник, охлаждаемый от криорефрижератора мощностью 3 кВт. Циркуляция водорода в петле возникает за счет естественной конвекции и благодаря асимметрии в расположении теплообменника. Скорость потока водорода в трубе диаметром 30 мм достигает приблизительно 1 м/с при тепловой нагрузке 2 кВт. Такая система не требует использования циркуляционных насосов для жидкого водорода и является достаточно эффективной. На реакторе ILL в Гренобле снимается тепловая нагрузка 5 кВт с объема жидкого дейтерия 25 л, расположенного в тяжеловодном отражателе реактора. Полная тепловая нагрузка в 2.5 раза выше, чем на реакторе ВВР-М, но уровень удельного тепловыделения в 10 раз ниже.

К сожалению, в течение последних 20 лет из сорока прогресса в увеличении плотности ультрахолодных нейтронов нет. Дело в том, что уже освоены прямые и достаточно эффективные методы – использование максимальных нейтронных потоков в реакторах при температуре 15-20 К. Для дальнейшего прогресса необходимы альтернативные методы получения ультрахолодных нейтронов.

Теперь следует остановиться на тех фундаментальных проблемах физики, которые определили столь активную деятельность в получении ультрахолодных нейтронов и в увеличении их плотности. Прежде всего, это эксперимент по поиску электрического дипольного момента нейтрона. Именно он дал старт в развитии методов получения ультрахолодных нейтронов. Другой эксперимент, где ультрахолодные нейтроны открывают новые методические возможности – это эксперимент по измерению с высокой точностью времени жизни нейтрона. Оба эксперимента являются исключительно важными для проверки Стандартной Модели взаимодействия элементарных частиц, поиска возможных отклонений и способов расширения Стандартной Модели. Первый из этих экспериментов имеет принципиальное значение для нашего понимания условий, при которых могла возникнуть Вселенная, второй дает точные данные для расчета первичного нуклеосинтеза.

На ранней стадии формирования Вселенной все процессы определялись свойствами взаимодействия элементарных частиц. Законы симметрии указывают на инвариантность взаимодействий относительно трех дискретных преобразований: зарядового сопряжения (С), пространственной инверсии (Р) (зеркального отражения пространства) и обратимости времени (Т). Кроме того, есть самая общая СРТ теорема об инвариантности относительно трех совместных преобразований. Указанные выше требования инвариантности могут быть легко интерпретированы. Например, инвариантность относительно зарядового сопряжения (С) означает, что одновременная замена знаков положительных и отрицательных зарядов не изменяет характер взаимодействия элементарных частиц. Инвариантность относительно пространственной инверсии (Р) означает, что процессы с противоположной зеркальной симметрией происходят с одинаковой вероятностью (они равноправны). Наконец, инвариантность по отношению к обращению времени (Т) означает, что процессы взаимодействия не зависят от направления времени. Если мы представим себе, что процесс взаимодействия элементарных частиц был записан на видео, то при обращении времени, условно говоря, при обратном просмотре, мы увидим воспроизведение старых событий. Однако, при нарушении Т-инвариантности в этом воображаемом эксперименте мы не увидим воспроизведения старых событий, т.е. стрела времени (выделенность направления) существует уже в актах взаимодействия элементарных частиц. Это и есть самый принципиально важный момент во взаимодействии элементарных частиц и особенно на ранней стадии формирования Вселенной.

Для электромагнитных и сильных взаимодействий элементарных частиц выполняется инвариантность по отношению к каждой из этих операций (С, Р и Т). Но слабые взаимодействия нарушают закон пространственной инверсии. Нет симметрии правого и левого, наш мир оказался левым, т.к. слабое взаимодействие элементарных частиц определяется левым W-бозоном. Казалось бы, что восстановление симметрии между правым и левым возможно, если рассматривать мир элементарных частиц в целом – частицы и античастицы. Тогда будет выполняться инвариантность относительно операции совместного преобразования С и Р, т.е. СР. Однако СР-инвариантность нарушается. Процесс нарушения был обнаружен в распадах К-мезонов и В-мезонов. Эффекты нарушения исключительно малы ~ 10^-3 и, казалось бы, не оказывают влияния на нашу действительность, на наше существование. Но это не так, и даже наоборот – оказывают, и очень сильное влияние. Дело в том, что частицы и античастицы аннигилируют при взаимодействии. Переходя в g-кванты и нейтрино, они уничтожают друг друга, так что мир частиц и античастиц не может существовать совместно. Действительно, при возникновении Вселенной произошла аннигиляция частиц и античастиц. Однако взаимоуничтожение оказалось неполным. Остались частицы, хотя остаток составил всего лишь одну миллиардную часть от начального числа частиц и античастиц. Остальное - g-кванты и нейтрино. Это и есть наша Вселенная. Если бы законы инвариантности для частиц и античастиц строго выполнялись, то наша Вселенная сейчас существовала бы в виде g-квантов и нейтрино. К счастью, это не так. Барионная асимметрия Вселенной (отношение числа барионов (т.е. нейтронов и протонов) к числу фотонов) составляет 6×10^-10.

В работе А.Д. Сахарова 1967 года была установлена связь между барионной асимметрией Вселенной и СР-нарушением. Были введены три условия возникновения Вселенной: нарушение барионного числа, С- и СР-нарушение и наличие неравновесного термодинамического процесса. Проблема СР-нарушения исключительно важна для нашего понимания мироздания и должна быть детально изучена.

Теперь следует пояснить, как СР-нарушение связано с электрическим дипольным моментом нейтрона. Дело в том, что он может быть отличен от нуля только при СР- и Р-нарушении. Требование выполнения СРТ-теоремы означает, что СР-нарушение должно сопровождаться Т-нарушением, чтобы сохранить инвариантность относительно СРТ-преобразования. Поэтому, если имеет место СР-нарушение, то нарушается также инвариантность по отношению к обращению времени (Т).

Существование электрического дипольного момента нейтрона является однозначным сигналом Т-нарушения. При обращении времени электрический дипольный момент не изменяется, т.к. это статическое распределение зарядов, а магнитный момент и спин изменяют направления, т.к. это динамические характеристики. После такой операции мы имеем частицу, не тождественную самой себе, которая будет взаимодействовать иначе с электромагнитными полями – до обращения времени электрический дипольный и магнитный момент были параллельны, после обращения стали антипараллельны.

Так как существует нарушение СР- или Т-инвариантности, то электрический дипольный момент, отличный от нуля, должен существовать, и это столь же справедливо как существование Вселенной. В этом можно видеть единство картины Мира – отражение большого в малом.

Интересно, что вопрос об измерении электрического дипольного момента нейтрона обсуждался еще до открытия нарушения пространственной четности и тем более до открытия СР-нарушения. Е. Парселл и Н. Рамзей (ставший впоследствии лауреатом Нобелевской премии по физике) обсуждали эксперимент по поиску электрического дипольного момента нейтрона как возможный тест на нарушение пространственной четности. Эксперимент был выполнен в 1951 г., но опубликован только в 1957 г., когда вопрос о нарушении пространственной инвариантности стал активно обсуждаться. Вскоре стало ясно, что эксперимент имеет более принципиальное значение, т.к. он связан также с поиском эффекта СР-нарушения. Точность первого эксперимента (d_n = -(0.1±2.4)·10^-20е×см) была улучшена за прошедшие годы на 6 порядков величины, причем последние 100 раз увеличения точности связаны с использованием ультрахолодных нейтронов.

Первый эксперимент с ультрахолодными нейтронами по поиску электрического дипольного момента нейтрона был реализован под руководством В.М. Лобашева в ПИЯФ в 1980 году. Для подготовки и реализации эксперимента было нужно практически с нуля освоить методику работы с ультрахолодными нейтронами, начиная от создания источников ультрахолодных нейтронов, до создания магнитно-резонансного спектрометра с энергетическим разрешением ~10^-17 эВ. Получение столь высокого энергетического разрешения как раз обеспечивается удержанием нейтронов в ловушке ~100 сек. В этом есть преимущество метода ультрахолодных нейтронов по отношению к пучковому эксперименту, где время пролета через установку составляет всего несколько миллисекунд. Метод магнитного резонанса имеет удивительно высокую точность, он основан на измерении сдвига частоты резонанса при изменении направления электрического поля по отношению к магнитному.

По сдвигу частоты магнитного резонанса электрический дипольный момент нейтрона может быть обнаружен. Однако не все так просто в реальном эксперименте, как в изложенной выше схеме. Первая проблема – это нестабильность магнитного поля, на фоне шумов которого невозможно выделить искомый сдвиг частоты. Поэтому камера спектрометра должна быть помещена в многослойный магнитный экран, но этого недостаточно и нужно стабилизировать магнитное поле внутри экрана с помощью прецизионных цезиевых магнитометров на оптической накачке. Достигнутая нестабильность магнитного поля (~10^-8 Эрстед /за 10 мин.) во всяком случае на 5 порядков меньше магнитных шумов в экспериментальном зале реактора. Другая проблема – это создание предельной напряженности электрического поля 10-15 кВ/см. В спектрометр должно подаваться высокое напряжение ~150 кВ, не создавая магнитной нестабильности, поэтому токи утечки по изоляторам должны быть не более нескольких наноампер. Результат, достигнутый в точности измерения электрического дипольного момента (~10^-25 е×см) даже трудно интерпретировать, т.к. 10^-25 см много меньше, чем размер нейтрона ~10^-13 см. Действительно, если представить себе, что размер нейтрона равен размеру земного шара, то сдвиг между положительным и отрицательным элементарным зарядом будет составлять всего лишь ~10 микрон.

В 1995 г. в исследованиях, выполненных В.М. Лобашевым с сотрудниками был установлен новый предел на электрический дипольный момент нейтрона d_n < 10^-25 e·cm. Это позволило закрыть теоретическую модель Вайнберга с СР-нарушением в секторе Хиггсовских бозонов. Электрический дипольный момент нейтрона не был открыт, и исследования должны быть продолжены.

В течение 2000-2005 годов нами был разработан новый спектрометр для поиска электрического дипольного момента нейтрона, а исследования сейчас продолжаются на высокопоточном реакторе ILL.

Теперь следует представить полную картину увеличения точности в эксперименте по поиску электрического дипольного момента нейтрона, а также возможности дальнейшего увеличения точности. Сейчас предел на электрический дипольный момент нейтрона равен 3×10^-26 е×см. Он был установлен в 2005 году группой ILL - Sussex (University of Sussex, Великобритания) - RAL (Rutherford Appleton Laboratory, Великобритания) и оказался в 3 раза лучше, чем предел, установленный в ПИЯФ 10 лет назад. В ближайшее время мы планируем увеличить точность измерений электрического дипольного момента нейтрона, используя источник ультрахолодных нейтронов в ILL. Однако значительное увеличение точности может быть связано с созданием на реакторе ВВР-М в Гатчине нового высокоинтенсивного источника ультрахолодных нейтронов.

ЭДМ спектрометр ПИЯФ. Подготовка к новым измерениям электрического дипольного момента нейтрона на реакторе ILL

Конечно, кроме наших планов по увеличению точности измерений существуют еще, как минимум, три экспериментальные группы, которые разрабатывают новые ЭДМ спектрометры и новые источники ультрахолодных нейтронов с намерением увеличить плотность ультрахолодных нейтронов в десятки и сотни раз. Поэтому исследования в этом направлении проводятся в жесткой конкурентной борьбе, которая определяется важностью научной проблемы.

Что можно ожидать от дальнейших усилий и за что идет борьба в этом многолетнем поиске электрического дипольного момента нейтрона? Как уже отмечалось, интрига состоит в том, что электрический дипольный момент нейтрона существует, но есть вопрос – чему он равен. В рамках Стандартной Модели электрический дипольный момент нейтрона должен быть на уровне 10^-30 - 10^-32 е×см. Этот уровень точности не доступен эксперименту даже в отдаленном будущем, если только экспериментальная задача не будет решена совершенно новым, пока неизвестным образом. Тогда спрашивается, зачем такие усилия, если нет шансов измерить конкретную величину? Но дело как раз состоит в том, что, скорее всего, электрический дипольный момент нейтрона много больше, чем предсказывается Стандартной Моделью. Например, в рамках Стандартной Модели барионная асимметрия Вселенной тоже должна быть меньше на много порядков наблюдаемой величины. Судя по всему, Стандартная Модель требует расширения. Существует множество моделей СР-нарушения. Например, в моделях, объясняющих барионную асимметрию Вселенной, электрический дипольный момент нейтрона должен быть на уровне 10^-26 е×см, т.е. как раз на грани возможностей даже текущих экспериментов.

Наиболее популярная схема расширения Стандартной Модели – это введение суперсимметричных частиц, открытие которых возможно на LHC (Large Hadron Collider). С суперсимметричными частицами может быть связана новая фаза СР-нарушения, а электрический дипольный момент нейтрона тоже предсказывается на уровне, доступном современному эксперименту. Оказывается, что обнаружение суперсимметричных частиц и обнаружение электрического дипольного момента нейтрона может быть связано. Конечно, здесь нет взаимно-однозначного соответствия, но ситуация очень интригующая. Наконец, существуют модели с восстановлением лево-правой симметрии, которые тоже оставляют экспериментаторам шанс на открытие электрического дипольного момента нейтрона.

Продолжение следует.