Was ultrakalte Neutronen über den Ursprung der Materie verraten

  • 19. September 2011

Forschung an fundamentalen Naturkonstanten und die Suche nach neuen Teilchen profitieren von einer neuen Quelle ultrakalter Neutronen

Wissenschaftler am Institut Laue-Langevin haben den Rekord für die Quelle mit der höchsten Dichte an ultrakalten Neutronen  gebrochen. Diese bis beinahe Null abgekühlten UCNs, ultra-cold neutrons, sind äußerst nützlich und bewegen sich so langsam, dass Weltklassesprinter sie über die 100 Meter schlagen. Die Technik wird genauere Messungen der fundamentalen Naturkonstanten ermöglichen, um die Suche nach neuen Teilchen voranzubringen und zu erklären, wie die Materie im Urknall entstanden ist.

UCNs lassen sich für mehrere hundert Sekunden speichern und sind daher ein grundlegendes Werkzeug für Forscher in der Teilchenphysik und Kosmologie. Sie wurden erstmals in den späten 60er Jahren bei Moskau und in München hergestellt. In den letzten 25 Jahren war das ILL in Grenoble die weltweit führende Quelle und stellte sie Untersuchungen der Materieentstehung nach dem Urknall zur Verfügung. Trotz vieler Jahre Verfeinerung und Forschung kann die derzeitige Herstellungsmethode am ILL jedoch nur eine paar Dutzend UCNs in einem fingerhutgroßen Raum anbieten – zu wenige.

Oliver Zimmer, Leiter der Gruppe Kern- und Teilchenphysik am ILL, erklärt: „Der Wunsch, das Universum auf seiner grundlegendsten Ebene zu verstehen, hat den Bedarf an der Herstellung ultra-kalter Neutronen befördert. Mit dieser neuen Technik zeigen wir eine grundlegende Methode zur Verbesserung der Bereitstellung dieser außergewöhnlich nützlichen Teilchen, die ihre zahlenmäßige Dichte möglicherweise um den Faktor 100 erhöht. Dies würde die Genauigkeit grundlegender Experimente in Teilchenphysik und Kosmologie in der ganzen Welt massiv verbessern.“

Bisher hat das ILL sie hergestellt, indem sehr kalte Neutronen, abgekühlt mit schwerem Wasser und flüssigem Deuterium, durch eine Turbine geleitet wurden. Die Neutronen treffen auf die Schaufeln, wobei sie Energie abgeben und so sehr verlangsamen, bis sie ultra-kalt sind und sich speichern lassen. Dieses Verfahren erzeugt etwa 30 UCNs pro Kubikzentimeter.

Andere vielversprechende Techniken wurden vorgeschlagen, aber bisher konnte keine höhere Dichten erzeugen als das Turbinenverfahren am ILL. Zimmer und sein Team erzielten ihren Rekord mit einem Verfahren, das 1975 von Golub und Pendlebury vorgeschlagen wurde, bei dem sie kalte Neutronen mit 440 Meter pro Sekunde auf suprafluides Helium-4 schießen,  der kältesten bekannten Flüssigkeit unterhalb von 1 Kelvin. Nach ihrer Theorie erzeugen die Neutronen beim Eintritt in das mit Helium gefüllte Gefäß Schwingungen in der Flüssigkeit, wobei sie den größten Teil ihrer verbliebenen Energie verlieren.

Während sich die wissenschaftliche Theorie hinter der Technik von Golub und Pendlebury als richtig erwies, scheiterten alle Versuche in den späten 80er Jahren, die Idee in eine weltweit führende Herstellmethode für UCNs umzusetzen, an Problemen bei der Extraktion. Damals wählte das Forschungsteam den Weg, die super-kalten Teilchen aus dem Helium horizontal herauszuholen, indem sie sie durch filternde Fenster zwangen, bei denen erhebliche Verluste auftraten.

Zimmer und sein Team verwenden dagegen ein kaminartiges Ventil, um die UCNs herauszuholen, die sich wie ein niederenergetisches Gas verhalten und mit ihrer eigenen geringen Geschwindigkeit durch das Ventil nach oben gelangen können. Mit dieser Methode können sie Dichten um etwa 55 UCNs pro Kubikzentimeter erzeugen, was sich künftig durch Verbesserungen an ihrer Apparatur und einen stärkeren Eingangsneutronenstrahl vielleicht mehr als 1000fach steigern lässt.

ILL / OD

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