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Grundlagenforschung an ultrakalten Neutronen

Anlage steigert Ausbeute von ultrakalten Neutronen deutlich

| Redakteur: Marc Platthaus

Blick in die Reaktorhalle mit Strahlrohr C vorne links und Strahlrohr D hinten links
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Blick in die Reaktorhalle mit Strahlrohr C vorne links und Strahlrohr D hinten links (Bild: Thomas Hartmann)

Am Forschungsreaktor TRIGA Mainz stößt man in neue Diemsionen vor. Nach jüngsten Optimierungen konnten die Wissenschaftler die Ausbeute an ultrakalten Neutronen um das Dreieinhalbfache steigern. Hierdurch soll es u.a. möglich sein, die Lebensdauer dieser Teilchen genauer zu bestimmen.

Mainz – Vor rund zehn Jahren hat die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ein neues Forschungsfeld betreten: die Erzeugung von ultrakalten Neutronen für die physikalische Grundlagenforschung. Nach dem jüngsten Upgrade der Anlage können die beteiligten Wissenschaftler, Physiker und Chemiker, nun einen bedeutenden Durchbruch vermelden. Durch ihre Maßnahmen steigerten sie die Ausbeute an ultrakalten Neutronen (UCN) im Vergleich zu einer früheren Messung um das Dreieinhalbfache. Sie haben damit auch die Voraussetzungen geschaffen, um Ende 2017 empfindlichere Messungen zur Ermittlung der Lebensdauer des freien Neutrons zu starten.

Lebensdauer von freien Neutronen bestimmen

Neutronen liegen normalerweise nicht in freier Form vor, sondern sind als neutrale Teilchen im Atomkern gebunden. Freie Neutronen sind instabil und zerfallen mit einer Lebensdauer von etwa 15 Minuten. Am Forschungsreaktor TRIGA Mainz können freie Neutronen erzeugt und durch Wechselwirkung mit festem Deuterium bei etwa -270 °C so verlangsamt werden, dass sie nur noch eine Geschwindigkeit von ca. 5 Meter pro Sekunde aufweisen. In diesem abgebremsten Zustand lassen sich freie Neutronen speichern und stehen für Experimente zur Verfügung. Die Grundlagenforschung interessiert sich besonders dafür, durch Hochpräzisionsmessungen die Eigenschaften des freien Neutrons genau zu bestimmen, vor allem die Lebensdauer und das elektrische Dipolmoment. Neuerdings kommen Untersuchungen zur elektrischen Ladung des Neutrons und Messungen zum Neutronzerfall hinzu. „Für all diese Experimente und Messungen ist die vorhandene Dichte an ultrakalten Neutronen der limitierende Faktor“, erklärt Prof. Dr. Werner Heil, einer der verantwortlichen Wissenschaftler der UCN-Einrichtung an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Neue Quellen zur Produktion von UCN (Ultracold Neutron) ab, werden derzeit weltweit entwickelt. Am TRIGA Mainz besteht die Möglichkeit, Neutronen im Pulsbetrieb zu erzeugen, das heißt der Reaktor kann alle fünf Minuten gepulst werden und liefert dabei einen hohen Neutronenfluss. Diese Neutronen werden nach dem Abbremsen an einem Block aus festem Deuterium durch einen Neutronenleiter, ähnlich einem Lichtleiter in der Optik, zum Experiment außerhalb des Reaktors geleitet.

Die Anlage wurde nun durch das jüngste Upgrade noch verbessert. Die Installation eines Heliumverflüssigers direkt vor Ort ermöglicht eine bessere Kühlung des Deuteriumkristalls und schafft die Voraussetzung, um Langzeitexperimente durchführen zu können. Der Transport der Neutronen vom Reaktor zum Experimentierplatz erfolgt durch elektropolierte Edelstahlrohre mit extrem glatter Oberfläche, um Neutronenverluste zu vermeiden. Diesem Zweck dient auch eine neue Beschichtung der Rohrinnenwände mit einer Nickel-58-Molybdänlegierung.

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