Preisträger

Mehr Neutronen für‘s Geld

Instrument der A1-Kollaboration in Mainz erzielt hohe Nachweiseffizienz bei niedrigen Kosten.

  • Magdalena Rohrbeck
  • 09 / 2013 Seite: 73

Der Nachweis von Neutronen gewinnt zunehmend Bedeutung in der Kern- und Teilchenphysik, da Details ihrer Wechselwirkung wichtige Informationen liefern können, beispielsweise in der Astroteilchenphysik zur Modellierung von Neutronensternen. Bislang sind diese Observablen jedoch wegen der Herausforderungen beim Nachweis der Neutronen experimentell nur ungenau bestimmt.

Mit den in der Teilchenphysik gebräuchlichen Detektoren ist Neutronen – verglichen mit geladenen Teilchen – nur schwer und indirekt beizukommen. Wegen ihrer fehlenden Ladung tauschen sie sich nicht über die Coulomb-Kraft mit Atomen oder Molekülen aus und können bei hohen Energien deshalb in Materie viele Zentimeter zurücklegen. Wenn sie wechselwirken, geschieht dies im Wesentlichen aufgrund der starken Kraft: Zwischen einem Neutron und einem Atomkern sind dabei unterschiedliche Prozesse möglich, beispielsweise elastische und inelastische Streuung oder Neutroneneinfang. In diesen Prozessen können sekundäre geladene Teilchen entstehen, die sich konventionell nachweisen lassen, z. B. durch Ausnutzung der Ionisation, die James Chadwick 1932 zur Entdeckung des Neutrons verhalf, oder der Szintillation. Bei der Szintillation wird die Energie von geladenen Teilchen oder energiereichen Photonen in Lichtquanten im sichtbaren Spektralbereich konvertiert, die photosensitive Detektoren − meist Photomultiplier − registrieren. Als Szintillatormaterialien eignen sich spezielle anorganische Kristalle, organische Stoffe oder auch Gase.
Für den Nachweis von Neutronen mit Impulsen von etwa 1 bis 103 MeV/c bietet sich die elastische (n,p)-Streuung: n + p   →   nʹ + pʹ an. Abb. 1 zeigt den simulierten Nachweis eines Neutrons in einem Detektor, der aus einzelnen Szintillator­elementen besteht. Als Folge der Kernreaktion ändert das Neutron entweder seine Richtung (nʹ), oder es entstehen sogar weitere Neutronen (n*). Diese haben dann meist eine niedrige Energie und erzeugen deshalb kein Signal im Szintillator. Ein Signal tritt dagegen dann auf, wenn die Kernreaktion durch elastische (n,p)-Streuung ein Rückstoßproton (pʹ) hervorbringt, welches das Szintillatormaterial anregt. ...

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