Разработка проекта универсальной ловушки для хранения ультрахолодных нейтронов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-22-00169

НазваниеРазработка проекта универсальной ловушки для хранения ультрахолодных нейтронов

Руководитель Фомин Алексей Константинович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" , Ленинградская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-101 - Физика элементарных частиц

Ключевые слова ультрахолодные нейтроны, время жизни нейтрона, Стандартная модель, космология

Код ГРНТИ29.05.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на прецизионное измерение времени жизни нейтрона. Сейчас наблюдается расхождение между различными измерительными методами. Все эксперименты можно разделить на три типа: пучковый, метод магнитного хранения и метод хранения в материальных ловушках. При этом результаты, полученные пучковым способом, значительно (около 10 с) отличаются от методов, использующих хранение ультрахолодных нейтронов (УХН), как в магнитных, так и в материальных сосудах. Расхождение между пучковым методом и методом хранения получило название «нейтронной аномалии» и существует уже более 10 лет. Сейчас данная проблема вызывает большой интерес. Существует ряд гипотез, пытающихся ее объяснить. Большинство предположений связано с тем, что в экспериментах с УХН есть неучтенные потери, как например дополнительный канал распада в темную материю. К настоящему моменту с увеличением точности измерений наметился ряд новых расхождений, в том числе между измерениями в материальных и магнитных ловушках. Все это указывает на возможность поиска новой физики за пределами Стандартной модели и необходимость дальнейшего улучшения точности в измерениях времени жизни нейтрона. В проекте предлагается разработка универсальной ловушки для хранения УХН. В одной установке устанавливается сразу 2 ловушки на одной оси: материальная и магнитная. Материальная ловушка изготавливается из меди и покрывается безводородным маслом фомблин. Магнитная ловушка представляет собой сборку из постоянных магнитов NdFeB. Путем поворота системы ловушек вокруг оси можно осуществить гравитационный захват УХН либо в материальную, либо в магнитную ловушку. Таким образом, на одной установке можно производить измерения и с материальной, и с магнитной ловушкой, т.е. можно сравнить материальное и магнитное хранение УХН в одинаковых условиях. Подобная схема измерений позволит избавиться от ряда систематических неопределенностей при измерениях с разными ловушками и предлагается впервые. Предлагаемый в проекте гравитационный захват УХН в магнитную ловушку является принципиально новым подходом, который до этого никогда не осуществлялся. Одним из факторов, влияющих на систематическую погрешность эксперимента, будет процесс деполяризации нейтронов в магнитном поле. Поэтому важной проблемой, которую также необходимо решить в настоящем проекте, является разработка магнитной системы, которая минимизирует вероятность деполяризации нейтрона.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Клюшников Г.Н., Серебров А.П. On estimation methods of depolarization losses for ultracold neutrons in magnetic traps Journal of Experimental and Theoretical Physics, Vol. 137, No. 3, pp. 316–327 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063776123090054

2. Фомин А.К., Серебров А.П. Turbine effect in the experiment with storage of ultracold neutrons Instruments and Experimental Techniques (год публикации - 2024)

3. Серебров А.П., Фомин А.К., Клюшников Г.Н., Коптюхов А.О., Мурашкин А.Н. Rotating Magnetic Gravitational Trap for Storing Ultracold Neutrons Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, Vol. 18, No. 4, pp. 913–919 (год публикации - 2024)
10.1134/S1027451024700642

4. Фомин А.К., Серебров А.П. Simulation of the Experiment with a Universal Trap of Ultracold Neutrons at the PIK Reactor Physics of Atomic Nuclei, Vol. 88, No. 2, pp. 317–320 (год публикации - 2025)
10.1134/S1063778825700474

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году проведена оптимизация магнита создающего ведущее магнитное поле. Произведен расчет действующих на него сил и моментов. Разработан эскизный проект установки с универсальной ловушкой УХН. Произведены соответствующие прочностные расчеты конструктивных элементов. Выполнена оценка деполяризационных потерь нейтронов в магнитной ловушке из постоянных магнитов на основе классической, квантово-механической и приближённой методик с учётом энергетического спектра УХН. Данные методики показали согласованные результаты и принципиальную возможность проведения эксперимента с необходимой точностью. Разработана полная Монте-Карло модель эксперимента, позволяющая отслеживать все кинематические характеристики и спин нейтрона при хранении. Произведена оценка влияния вращения Земли на хранение УХН в ловушке. Получено, что из-за малости эффекта, он не оказывает влияния на результат измерения. Разработан план размещения установки на строящемся источнике УХН в главном зале реактора ПИК. Определена высота и конструкция несущей платформы. При помощи компьютерной модели, включающей в себя источник УХН, нейтроноводную систему и установку получено, что счет детектора на реакторе ПИК будет в 50 раз больше, чем на реакторе ILL. Это позволит получить наилучшую точность измерения времени жизни нейтрона и сравнить хранение в магнитной и материальной ловушках при одинаковых условиях.

Публикации

2. Фомин А.К., Серебров А.П. Turbine effect in the experiment with storage of ultracold neutrons Instruments and Experimental Techniques (год публикации - 2024)