ОТДЕЛЕНИЕ НЕЙТРОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
В.В.Федоров, Ю.Л.Хазов
О нейтроне
В 1932 году 17 февраля Джеймс Чэдвик направил в печать свою статью ("Возможное существование нейтрона", Chadwick, J. Nature, 1932, v.129, p.312), которая открыла новую ядерную эру в истории развития человечества. Через два года он был удостоен Нобелевской премии "...за открытие нового фундаментального кирпичика мироздания, из которых построены атомы и молекулы, а именно, за открытие так называемого нейтрона. Интуиция, мысль и логика вместе с искусством эксперимента позволили профессору Чэдвику доказать существование нейтрона и установить его свойства..." (из речи председателя Нобелевского комитета по физике на церемонии вручения Нобелевской премии в 1935 г проф. Х.Плайджела (H.Pleijel).
С одной стороны, осуществление управляемой цепной ядерной реакции на нейтронах позволило человечеству выйти на новый уровень энергетики и получить в свое распоряжение практически неисчерпаемые источники энергии. С другой стороны, само появление нейтральной "элементарной" частицы, а также ее свойства, преподнесли ряд сюрпризов и произвели в свое время революцию в представлениях о строении вещества и самих элементарных частиц. Например, просто наличие магнитного момента у нейтрона уже свидетельствует о его сложной структуре, т.е. его "неэлементарности".
Возможное наличие электрического дипольного момента (ЭДМ) связано с нарушением СР-инвариантности, т.е. инвариантности нашего мира относительно замены частиц на античастицы и, косвенным образом, с барионной асимметрией Вселенной. Поскольку нейтрон участвует во всех видах известных взаимодействий, то исследование его электромагнитных свойств, а также слабых и сильных взаимодействий предоставляет уникальную возможность понять, как "устроены" частицы и их взаимодействия, и, с другой стороны, позволяет проникнуть в тайны образования и строения Вселенной. Поэтому такие работы, как поиск и измерение ЭДМ нейтрона, измерение его электрического заряда, электрической поляризуемости, времени жизни, поиск нейтрон-антинейтронных осцилляций, измерение угловых корреляций при бета-распаде нейтрона, исследование рассеяния нейтрона на нейтроне и т.д. имеют первостепенную важность для современной физики.
Нейтроны наряду с протонами являются теми "элементарными" частицами, из которых построены атомные ядра обычного вещества. Кроме того, они играют важную роль в процессах звездного нуклеосинтеза, который определяет происхождение элементов во Вселенной и, в частности, на Земле.
Итак, свободный нейтрон - это нестабильная, электрически нейтральная частица со следующими свойствами: (Review of Particle Physics. Euro. Phys. J., 2000, v. C15, no. 1—4).
| Спин | 1/2 |
| Заряд (e - заряд электрона) | qn= (-0,4 ± 1,1)·10-21 е |
| Масса в атомных единицах | mn
=939,56533 ± 0,00004 МэВ, = 1,00866491578 ± 0,00000000055 а.е.м. |
| Разность масс нейтрона и протона в атомных единицах | mn
- mp = 1,2933318 ± 0,0000005 МэВ, = 0,0013884489 ± 0,0000000006 а.е.м. |
| Время жизни | tn = 885,4 ± 0,9stat ± 0,4syst с |
| Магнитный момент | mn = -1,9130427 ± 0,0000005 mN |
| Электрический дипольный момент | dn < 0,63·10-25 e·см (CL=90%) |
| Электрическая поляризуемость | an
= (
)·10-3 Фм 3 |
Эти свойства нейтрона позволяют использовать его, с одной стороны, как объект, который изучается и, с другой стороны, как инструмент, при помощи которого ведутся исследования.
В первом случае исследуются уникальные свойства нейтрона, что является актуальным и дает возможность наиболее надежно и точно определить фундаментальные параметры электрослабого взаимодействия и, тем самым либо подтвердить, либо опровергнуть Стандартную модель.
Поиск и измерение электрического дипольного момента нейтрона является одним из наиболее прецизионных и важных экспериментов в физике. Многие из предлагавшихся теорий СР-нарушения уже отвергнуты полученной к настоящему времени величиной предела на ЭДМ нейтрона 6,3x10-26 е·см (CL=90%). Понижение экспериментального предела в 15-20 раз, что не кажется непреодолимым, является исключительно важным для проверки суперсимметричных теорий.
Во втором случае взаимодействие неполяризованных и поляризованных нейтронов разных энергий с ядрами позволяет их использовать в физике ядра и элементарных частиц. Изучение эффектов нарушения пространственной четности и инвариантности относительно обращения времени в различных процессах - от нейтронной оптики до деления ядер нейтронами - это далеко не полный перечень наиболее актуальных сейчас направлений исследований.
Тот факт, что реакторные нейтроны тепловых энергий имеют длины волн, сравнимые с межатомными расстояниями в веществе, делает их незаменимым инструментом для исследования конденсированных сред. Взаимодействие нейтронов с атомами является сравнительно слабым, что позволяет нейтронам достаточно глубоко проникать в вещество - в этом их существенное преимущество по сравнению с рентгеновскими и
Рассеяние нейтронов атомами обусловлено, в основном, ядерными силами, следовательно сечения их когерентного рассеяния никак не связаны с атомным номером (в отличие от рентгеновских и g-лучей). Поэтому "освещение" материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких (водород, кислород и др.) элементов, идентификация которых почти невозможна с использованием рентгеновских и g-лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении биологических объектов, в материаловедении, в медицине и др. областях. Кроме того, различие в когерентных сечениях рассеяния нейтронов у разных изотопов позволяет не только отличать в материале элементы с близкими атомными номерами, но и исследовать их изотопный состав. Наличие изотопов с отрицательной амплитудой когерентного рассеяния дает уникальную возможность контрастирования исследуемых сред, что также очень часто используют в биологии и медицине.
| <<содержание | стр.
1 |
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33