Zo'n 10 jaar geleden, Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) betrad een nieuw onderzoeksgebied door te beginnen met het genereren van ultrakoude neutronen (UCN) voor gebruik in fundamenteel onderzoek in de natuurkunde. De deelnemende natuur- en scheikundigen melden nu weer een grote doorbraak. Ze hebben de UCN-opbrengst van hun bron met een factor 3,5 kunnen verhogen. Dit betekent dat de voorwaarden nu aanwezig zijn om te beginnen met de meer gevoelige metingen die nodig zijn om de levensduur van het vrije neutron te bepalen.

Neutronen bestaan ​​normaal gesproken niet in een vrije staat, maar zijn in plaats daarvan gebonden als neutrale deeltjes in de atoomkern. Vrije neutronen zijn onstabiel en vervallen met een levensduur van ongeveer 15 minuten. De onderzoeksreactor TRIGA Mainz kan thermische neutronen genereren, die, eenmaal in contact gebracht met vast deuterium bij ongeveer min 270 graden Celsius, worden afgeremd zodat ze met ongeveer vijf meter per seconde reizen. Bij deze snelheid vrije neutronen kunnen worden opgeslagen en gebruikt in experimenten. Wetenschappers die betrokken zijn bij fundamenteel onderzoek zijn vooral geïnteresseerd in het bepalen van de eigenschappen van deze vrije neutronen, vooral hun levensduur en elektrisch dipoolmoment, door middel van zeer nauwkeurige metingen. Deze zijn recentelijk aangevuld met experimenten om de elektrische lading van het neutron te bepalen. "De beperkende factor in al deze experimenten en metingen wordt bepaald door de dichtheid van ultrakoude neutronen die we kunnen bereiken, " verklaarde professor Werner Heil, een van de wetenschappers van de UCN-faciliteit van de Universiteit van Mainz.

Wetenschappers over de hele wereld ontwikkelen momenteel nieuwe UCN-bronnen. De Mainz TRIGA-reactor kan neutronen genereren in pulsmodus, wat betekent dat de reactor elke vijf minuten wordt gepulseerd en daardoor een hoge neutronenflux levert. Na het vertragen van deze neutronen met behulp van een blok vast deuterium, ze worden door een neutronengeleider geleid, vergelijkbaar met een glasvezelkabel, voor gebruik bij experimenten buiten het biologische schild van de reactor. Naast de bronupgrade, ook de infrastructuur is verder verbeterd. De installatie van een heliumcondensor direct ter plaatse zorgt voor een effectievere koeling van het deuteriumkristal en schept uitstekende omstandigheden om experimenten over lange perioden uit te voeren. De neutronen uit de reactor worden getransporteerd naar de plaats van experimenten via elektrolytisch gepolijste roestvrijstalen buizen met een extreem glad inwendig oppervlak dat neutronenverliezen voorkomt. Deze buisbinnenwanden hebben nu een nieuwe coating van een nikkel-58-molybdeenlegering gekregen om hun prestaties verder te verbeteren.

De wetenschappers zijn erin geslaagd om 8,5 UCN per kubieke centimeter op te slaan. "Vergeleken met onze eerdere resultaten, we hebben de UCN-opbrengst met een factor 3,5 kunnen verhogen, " zei professor Norbert Trautmann van het JGU Institute of Nuclear Chemistry. Het gebruikte opslagvat was een gestandaardiseerde roestvrijstalen cilinder, speciaal geleverd door het Paul Scherrer Instituut (PSI) in Zwitserland voor genormeerde metingen. Dit vat dat werd gebruikt voor een vergelijkende studie van ultrakoude neutronenbronnen in bedrijf, heeft een inhoud van 32 liter, wat overeenkomt met typische opslagvaten voor UCN-experimenten. Deze opstelling wordt algemeen beschouwd als de meest betrouwbare manier om de bijbehorende metingen uit te voeren. Een dichtheid van 8,5 UCN per kubieke centimeter plaatst Mainz in dit opzicht in de eredivisie. "We zijn nu volledig concurrerend met 's werelds toonaangevende instituten in het veld, ’ zei Heil.

"De verhoogde UCN-dichtheid is vooral belangrijk voor levenslange experimenten, die binnenkort moet beginnen, " zei professor Tobias Reich, hoofd van het JGU Instituut voor Nucleaire Chemie, waarin de TRIGA-reactor is ondergebracht.

Dankzij de verbeterde prestaties, de wetenschappers zijn ervan overtuigd dat ze in veel kortere tijd een verbeterde experimentkwaliteit zullen bereiken. Het exact bepalen van de levensduur van het vrije neutron is van groot belang, omdat de twee veelgebruikte methoden, d.w.z., het opslaan van UCN in materiële vaten en de neutronenbundelmethode die wordt gebruikt om vervalproducten (protonen) tijdens de vlucht te detecteren, verschillende resultaten opleveren. Dit kan te wijten zijn aan niet-herkende systematische fouten of aan mogelijke exotische vervalkanalen, een indicator voor natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel.

De UCN-metingen zijn uitgevoerd met straalbuis D van TRIGA Mainz. Deze bron werkt voornamelijk in pulsmodus en is ook beschikbaar voor externe gebruikers. "Voor toekomstige experimenten, zoals levensduurmetingen, we zullen de bron drie weken lang in dubbele ploegendienst kunnen gebruiken van 8 uur 's ochtends tot middernacht, " voegde Dr. Christopher Geppert toe, beheerder van de TRIGA Mainz.