В Петербургском институте ядерной физики (ПИЯФ), в Гатчине, идёт работа над созданием высокоинтенсивного источника ультрахолодных нейтронов. С его помощью учёные надеются получить данные, которые дадут ответы на важнейшие вопросы современной физики, например почему вещества во Вселенной больше, чем антивещества, и объяснить соотношение лёгких химических элементов в составе Вселенной.
Проектируемый источник позволит получить поток ультрахолодных нейтронов (УХН) плотностью 104см-3, что в тысячу раз превышает максимально достигнутые сейчас плотности.
Эта задача – получение интенсивных потоков УХН – сегодня считается одной из приоритетных в нейтронной физике: во всём мире активно ведутся разработки новых источников УХН, одни из них основаны на использовании твёрдого дейтерия при температуре 4,5 К (LANL, США; PSI, Швейцария), а другие – на накоплении УХН в сверхтекучем гелии (KEK-RCNP-TRIUMF, Япония-Канада; ILL, Франция).
Отметим, что проект российских учёных позволит получить интенсивность УХН на порядок выше, чем зарубежные разработки. Такое улучшение принципиально важно для современной физики. Получив столь плотный поток нейтронов, можно будет на два порядка точнее измерить электрический дипольный момент (ЭДМ) нейтрона и в десять раз точнее измерить время жизни нейтрона.
Небольшой популярный экскурс о том, что такое ультрахолодные нейтроны и почему важно измерять их характеристики. Нейтрон – это элементарная частица без электрического заряда, участвующая во всех фундаментальных взаимодействиях. Когда говорят о его температуре, то подразумевают кинетическую энергию (всё же нейтрон не бутылка шампанского, которую можно охладить в морозильной камере).
Температура быстрых нейтронов, способных вызвать ядерные реакции, больше 1010 градусов Кельвина; тепловых, которые «живут» в ядерных реакторах и поддерживают протекание цепной реакции, – 300 К; а холодных и ультрахолодных, о которых идёт речь в данной статье, – 10 К и 10-3 К соответственно. В рамках стандартной модели ЭДМ нейтрона равен нулю. Однако стандартная модель не объясняет, например, нарушение симметрии между веществом и антивеществом во Вселенной (всё вокруг состоит из вещества, а антивещества почти нет).
Самая распространённая теория, в рамках которой так называемая CP-симметрия (сохранение физических законов при замене частиц античастицами и зеркальном отражении пространства) нарушается так, что может объяснить асимметрию Вселенной, – это теория суперсимметрии. Один и тот же механизм нарушения CP-симметрии создаёт ЭДМ нейтрона и барионную несимметричность Вселенной, поэтому, изучая нейтрон, можно узнать, как появилась несимметричность во время бариогенеза (этап зарождения Вселенной).
Учёные измеряют ЭДМ нейтрона уже более полувека. Пока установлено, что эта величина меньше 3•10-26 e•см, но ещё никому не удалось её зафиксировать. И именно сейчас учёные подобрались к тому уровню технологий, который позволит поймать эту столь важную характеристику нейтрона. Физики из ПИЯФ планируют измерить ЭДМ нейтрона с точностью до 3•10-28 e•см[2].
«Это уточнение принципиально, ведь теория суперсимметрии с CP-нарушением предсказывает ЭДМ нейтрона порядка 10-27 e•см, а значит, учёные смогут наблюдать ЭДМ в рамках эксперимента, – поясняет руководитель проекта, заведующий отделом нейтронной физики ПИЯФ РАН, профессор Анатолий Серебров. – Если же на создаваемом источнике не будет найден ЭДМ нейтрона, это поставит под сомнение теорию суперсимметрии, и шансы найти суперсимметричные частицы, которые сейчас так активно ищут на Большом адронном коллайдере, существенно снизятся, в то время как положительный результат в поиске ЭДМ нейтрона станет весомым подтверждением суперсимметричных моделей с CP-нарушением».
Следующая величина, которую можно будет измерить в ходе эксперимента, важна для понимания другого этапа зарождения Вселенной – нуклеосинтеза. В этот период формировались вещества первичного состава Вселенной: водород, гелий и другие лёгкие элементы, основу которых составляют различные комбинации «нейтрон-протон».
Как известно, «умирая», нейтрон распадается на электрон и протон. Таким образом, от времени жизни нейтрона существенно зависело, какое будет во Вселенной отношение числа нейтронов к числу протонов и, как следствие, – из каких химических элементов будет состоять Вселенная. Точно узнав время жизни нейтрона, можно построить модель первичного нуклеосинтеза и сравнить с наблюдаемой концентрацией гелия, дейтерия и лёгких элементов во Вселенной.
Петербургские учёные уже измерили время жизни нейтрона с лучшей в мире точностью: оказалось, что оно на 7 секунд меньше общепринятого значения. Результат ПИЯФ подтверждён другими исследовательскими группами, однако российские учёные намерены произвести ещё более точные измерения на новом источнике.
В эксперименте, который готовят петербургские физики, ультрахолодные нейтроны появляются в сосуде, заполненном сверхтекучем гелием, – квантовой жидкостью, обладающей сразу несколькими характеристиками с приставкой «сверх», в том числе и сверхпрозрачностью для нейтронов очень низких энергий. Ультрахолодные нейтроны не рассеиваются в сверхтекучем гелии, а распространяются так же, как и в вакууме.
Тогда как холодные нейтроны (температурой 12 К), попадая в сверхтекучий гелий (температурой 1,2 К), отдают гелию всю свою энергию и становятся ультрахолодными (10-3 К).
Экспериментальная установка, которую сейчас строят в институте, работает следующим образом: нейтроны рождаются в ядерном реакторе ВВР-М, на их пути, вблизи самого реактора, располагается «ловушка». Попадая в ловушку, сначала нейтроны проходят сквозь предзамедлитель, охлаждающий частицы до средней температуры около 40 К.
Часть нейтронов из получившегося потока имеет температуру 12 К. Поток проникает в сосуд с жидким сверхтекучим гелием и металлическими стенками. Нейтроны температурой 12 К влетают в гелий, взаимодействуют с атомами гелия, рождая фонон, в результате чего теряют почти всю свою энергию и становятся ультрахолодными.
Те нейтроны, которые не отдали свою энергию гелию, благополучно вылетают сквозь стенки камеры, а УХН отражаются от стенок, что делает возможным накопление нейтронов в камере и увеличение их плотности. Задержавшиеся в ловушке УХН выводятся из камеры с помощью зеркального нейтроновода. На выходе получается сверхинтенсивный поток УХН плотностью 104 см-3.
По словам Анатолия Сереброва, создание установок такого масштаба с использованием мощнейшего оборудования – процесс долгий. В настоящее время учёные готовят полномасштабный эксперимент, который позволит ответить на вопрос о возможности снять тепловыделение около 30 Вт, сохраняя температуру сверхтекучего гелия 1,2 К. На следующем этапе источник будет размещён вблизи активной зоны реактора.