Нейтроны очень малых энергий необходимы для проведения экспериментов, представляющих интерес для различных областей науки - от физики элементарных частиц до космологии. Недавно японские ученые опробовали новый способ получения таких (ультрахолодных) нейтронов, дающий ряд преимуществ по сравнению с существующими.

Нейтроны различных энергий давно используются в качестве мощного инструмента исследования вещества, одним из последних достижений науки на этом пути явилось развитие новой голографической методики - нейтронной голографии. В то же время нейтроны интересны как объект научного исследования и сами по себе. В частности, представляет интерес поиск возможного электрического заряда и электрического дипольного момента нейтрона, исследование бета-распада нейтрона, изучение поведения нейтрона под действием силы тяжести (про наблюдение квантования уровней энергии нейтрона в гравитационном поле Земли см. в нашей новости) и т.д.

Для столь тонких экспериментов требуются нейтроны с очень малой энергией. Традиционно самые медленные нейтроны (с энергией менее 100 наноэлектронвольт) называют ультрахолодными нейтронами. Эти частицы обладают очень полезной особенностью - они способны отражаться от поверхности многих материалов, что дает возможность транспортировать их по нейтроноводам и хранить в емкостях из соответствующих материалов едва ли не как картошку.

Традиционно проблема получения ультрахолодных нейтронов решается за счет выделения низкоэнергетичного хвоста максвелловского распределения тепловых нейтронов на выходе замедлителя ядерного реактора. При этом используется упомянутая особенность очень низкоэнергетичных нейтронов - их способность отражаться от поверхностей многих материалов: такие нейтроны оказываются "заперты" в нейтроноводе, в котором установлены дополнительные приспособления для их замедления (турбины). Поскольку доля очень холодных нейтронов в тепловом спектре при температуре порядка комнатной ничтожно мала, то "выход" ультрахолодных нейтронов при таком подходе заведомо ограничен.

Уже давно было указано на другую возможность получения ультрахолодных нейтронов - охлаждение нейтронов после выхода из замедлителя реактора при прохождении сквозь сверхтекучий гелий. При этом происходит достаточно эффективная передача энергии от холодных нейтронов фононам, что значительно увеличивает долю ультрохолодных нейтронов, отфильтровываемых нейтроноводом. Неудобство данной методики состоит в том, что поток гамма-квантов от реактора приводит к дополнительному (и нежелательному) нагреву криостата со сверхтекучим гелием.

Японские ученые реализовали альтренативный путь получения нейтронов, не требующий ядерного реактора [1]: нейтроны образовывались при бомбардировке свинцовой мишени достаточно высокоэнергетичными (с энергией 392 МэВ) протонами. Достоинством этого метода является относительно малая интенсивность потока гамма-квантов по сравнению со случаем использования ядерного реактора. Эксперименты проводились на циклотроне университета Осаки.

Рис.1. Схематическое устройство нового источника ультрахолодных нейтронов.

Схема нового источника ультрахолодных нейтронов показана на рис. 1. Возникающие при бомбардировке свинцовой мишени нейтроны с энергией порядка нескольких МэВ проходили сквозь два замедлителя - емкости с тяжелой водой при температуре 300 K и 10 K соответственно - и попадали в криостат со сверхтекучим гелием. После прохождения сверхтекучего гелия охлажденные нейтроны стандартным образом отфильтровывались с помощью нейтроновода, конец которого был оснащен детектором нейтронов, что позволяло оценить выход ультрахолодных нейтронов. Регистрация нейтронов происходила путем регистрации продуктов распада ядер ⁷Li (гелия и трития), которые возникали при прохождении нейтронов сквозь пленку ⁶LiOH.

В условиях проведенного эксперимента плотность ультрахолодных нейтронов в ловушке составила бы примерно 0.7 нейтрона на кубический сантиметр (это вполне приемлемая величина). Однако, по оценкам японских ученых, увеличение мощности протонного пучка и оптимизация параемтров экспериментальной установки позволят увеличить плотность ультрахолодных нейтронов в ловушке на три порядка. Как знать, может быть именно с помощью ультрахолодных нейтронов, полученных новым методом, в будущем удатся получить какой-нибудь принципиальный физический результат.

1. Y.Masuda, T.Kitagaki, K.Hatanaka et al. Phys.Rev.Lett., v.89, 284801 (2002).

Е.Онищенко.