Die neue Methode wird die bisher genaueste Neutronenmessung ermöglichen | 2020

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Anonim

Forscher in einer internationalen Zusammenarbeit am Paul Scherrer Institute (PSI) haben erfolgreich eine neue experimentelle Methode entwickelt, um eine grundlegende Eigenschaft des Neutrons zu bestimmen.Neutronen sind Teile von Atomkernen und damit wichtige Bausteine ​​in der Materie, die uns umgibt. Obwohl sie so allgegenwärtig sind, wurden einige ihrer Eigenschaften noch nicht ausreichend verstanden - einschließlich des sogenannten elektrischen Dipolmoments des Neutrons. Das Dipolmoment hat weitreichende Konsequenzen für unser Verständnis des Universums: Es könnte erklären, warum beim Urknall erheblich mehr Materie als Antimaterie gebildet wurde.

Philipp Schmidt-Wellenburg vom PSI und seine Kollegen entwickelten die sogenannte Spin-Echo-Methode zur Messung langsamer, frei beweglicher Neutronen. Infolgedessen haben sie eine neue zerstörungsfreie Bildgebungstechnik für die hochpräzise Messung der Neutronengeschwindigkeit entwickelt.

Minutenlanges Ausgleichen von Störungen

Schmidt-Wellenburg erklärt das Grundprinzip der Methode anhand der Analogie eines Rennens über unbekanntes Terrain: "Wir senden Neutronen - unsere 'Läufer' - mit einer Art Startschuss aus. Nach einer gewissen Zeit drehen wir sie mit einem zweites Signal. " Alle Neutronen kehren dann wie ein Echo zum Ausgangspunkt zurück. Die unterschiedliche Zeitverzögerung, mit der die einzelnen Neutronen die Ziellinie überqueren, sagt den Forschern etwas über die Art des Raums aus, durch den sie jeweils "gelaufen" sind: "Ähnlich in einer Gruppe von gleichermaßen sportlichen Läufern, wenn man es später als die anderen zurück schafft würde es darauf hindeuten, dass es mehr Hindernisse auf ihrem Kurs gab. "

Die Spin-Echo-Methode ist im Prinzip nichts Neues. In der Medizin wird es seit Jahrzehnten in der Magnetresonanztomographie für Gewebe und Organe eingesetzt. Der Unterschied und damit die größte Herausforderung bei der neuen Methode: Die hier verwendeten Neutronen sind extrem langsam und werden minutenlang beobachtet. Solche langsamen Neutronen werden auch ultrakalte Neutronen genannt. Ihre Verwendung bedeutet jedoch, dass alle experimentellen Rahmenbedingungen über vergleichsweise lange Zeiträume von mehreren Minuten äußerst stabil gehalten werden müssen. Um die Präzision des Experiments zu verdeutlichen: "Wir müssen kleinste Änderungen im Magnetfeld ausgleichen, die beispielsweise auch dann auftreten können, wenn ein LKW auf der nahe gelegenen Straße vorbeifährt", erklärt Schmidt-Wellenburg.

Messungen mit der neuen Methode sind bereits im Gange

All dies ist notwendig, um das elektrische Dipolmoment des Neutrons genauer als je zuvor zu bestimmen. Das letzte Experiment zur Messung dieses Faktors wurde 2006 veröffentlicht. Das damalige Ergebnis ist jedoch noch zu ungenau, um daraus Rückschlüsse auf die Entstehung des Universums zu ziehen. Seitdem mangelt es an Methoden für eine genauere Messung. "Jetzt haben wir diese Lücke mit unserer angepassten Spin-Echo-Methode für ultrakalte Neutronen geschlossen", sagt Schmidt-Wellenburg.

Seit August 2015 werden am PSI ultrakalte Neutronen mit der neuen Methode gemessen. Das Institut verfügt über eine der weltweit intensivsten Quellen ultrakalter Neutronen. Das lokale Langzeitexperiment wird noch etwa ein weiteres Jahr dauern müssen, um die Datenmenge zu erhalten, die zur genaueren Bestimmung des elektrischen Dipolmoments des Neutrons als bei früheren Messungen erforderlich ist. "Hoffentlich können wir dann eines Tages erklären, warum unser Universum aus so viel Materie besteht - mit anderen Worten, warum sich alle Materie und Antimaterie kurz nach dem Urknall nicht gegenseitig zerstörten", sagt Klaus Kirch. Leiter des Labors für Teilchenphysik am PSI

Die neue Spin-Echo-Methode mit ultrakalten Neutronen kann auch für andere grundlegende Experimente verwendet werden, beispielsweise zur genaueren Messung der Lebensdauer von Neutronen. "Ich wage zu sagen, dass unsere neue Methode in den nächsten zwanzig Jahren in vielen Experimenten mit ultrakalten Neutronen zum Einsatz kommen wird", so Schmidt-Wellenburg.