Состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук. Члены Президиума заслушали научное сообщение `Фундаментальные исследования с ультрахолодными нейтронами. Результаты и перспективы`.
Докладчик - доктор физико-математических наук Серебров Анатолий Павлович (Институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, Санкт-Петербург).
Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц успешно изучаются на ускорителях и коллайдерах, где рождение новых элементарных частиц при энергии вплоть до 1013 эВ, открывает новые горизонты в нашем понимании фундаментальных основ природы. Астрофизика, космология, космические лучи, нейтринная физика исключительно глубоко дополняют общую картину мира и также связаны с фундаментальным взаимодействием элементарных частиц. Однако существуют методы прецизионных исследований, методы поиска малых отклонений от Стандартных законов физики. Они позволяют получать информацию о фундаментальных взаимодействиях другими экспериментальными методами. Одно из таких направлений это исследование с ультрахолодными нейтронами, нейтронами с исключительно низкой энергией ~ 10-7 эВ.
Существует общее представление, что нейтроны это частицы, легко проходящие через вещество из-за их нейтральности. Действительно, они были открыты благодаря этому экспериментальному факту. Однако, нейтроны очень низких энергий, имеющие большую длину волны ~ 500 ÷ 1000 ?, взаимодействуют с веществом когерентным образом и отражаются от вещества с очень высокой вероятностью ~ 99.9%. Этот эффект позволяет удерживать нейтроны в материальных ловушках, транспортировать ультрахолодные нейтроны по трубам (нейтроноводам) подобно газу при исключительно низком давлении. Эффективная температура газа ультрахолодных нейтронов 10-3 К, поэтому такие нейтроны называются ультрахолодными. Описанные выше свойства ультрахолодных нейтронов были отмечены Я.Б.Зельдовичем в 1959 году. Первый эксперимент по выводу ультрахолодных нейтронов из реактора был осуществлен в 1968 г в ОИЯИ (Дубна) Ф.Л.Шапиро с сотрудниками. Ставилась цель использовать ультрахолодные нейтроны для поиска электрического дипольного момента нейтрона. Это принципиально важная задача физики взаимодействия элементарных частиц, так как электрический дипольный момент нейтрона может существовать благодаря нарушению СР-инвариантности (нарушению принципа инвариантности по отношению к обращению времени). Существуют три критерия А.Д. Сахарова о возникновении Вселенной: нарушение барионного числа, С и СР нарушение и наличие неравновесного термодинамического процесса. Проблема СР нарушения исключительно важна для нашего понимания мироздания и должна быть детально изучена. В течение 70-80-х годов экспериментальные методы использования ультрахолодных нейтронов интенсивно развивались. В этот процесс были вовлечены многие институты нашей страны и за рубежом. Экспериментально полученная плотность ультрахолодного нейтронного газа была увеличена на 8 порядков величины и достигла 10÷40 n/см3. Наиболее интенсивный источник ультрахолодных нейтронов в нашей стране был создан на реакторе Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ) в Гатчине. В исследовании, выполненном В.М. Лобашевым с сотрудниками в 1995 г., был установлен новый предел на электрический дипольный момент нейтрона dn<10-25 eЧсм (90% CL). Это позволило закрыть ряд теоретических моделей СР нарушения. Электрический дипольный момент нейтрона не был открыт и исследования должны быть продолжены. В течение 2000-2005 годов в ПИЯФ был разработан новый спектрометр для поиска ЭДМ нейтрона, а исследования сейчас продолжаются на высокопоточном реакторе ILL (Гренобль, Франция). Планируется увеличение точности измерений. Однако значительное увеличение точности может быть связано с созданием на реакторе ВВР-М в Гатчине нового высокоинтенсивного источника УХН (проект представлен для обсуждения в конце сообщения). Следующая научная задача, которая может и должна быть решена с помощью экспериментов с ультрахолодными нейтронами, это измерение времени жизни нейтрона с высокой точностью. Хранение УХН в материальных ловушках открывает возможность измерения экспоненты распада нейтрона, т.е. его время жизни. К сожалению, первые эксперименты показали, что нейтроны удается хранить в ловушках всего лишь десятки секунд, хотя время жизни нейтрона ~900 с. Для точного измерения времени жизни нейтрона вероятность потерь УХН на стенках ловушки должна быть много меньше вероятности распада нейтрона. Исследования проблем длительного хранения ультрахолодных нейтронов в материальных ловушках потребовали 15-20 лет, они последовательно, шаг за шагом продвигали экспериментаторов к намеченной цели. В эти исследования был вовлечен ряд групп и разных институтов России - ОИЯИ (Дубна), ПИЯФ (Гатчина), Курчатовский институт (Москва), МИФИ (Москва), ИТЭФ (Москва), НИИАР (Димитровград). Первый результат для времени жизни нейтрона с точностью 1.5% был получен в НИИАР В. И. Морозовым. А первый эксперимент по магнитному удержанию УХН был реализован Ю.Г. Абовым в ИТЭФ. Наконец, наиболее точный эксперимент (0.1%) был выполнен в 2004 году коллаборацией ПИЯФ и ОИЯИ. В этом эксперименте была достигнута вероятность потерь 1% от вероятности распада нейтрона, таким образом, удалось наблюдать почти прямой процесс распада нейтрона в ловушке. Метод измерений весьма оригинален: нейтронный ультрахолодный газ захватывается в ловушку (сферу с окном и горизонтальной осью для вращения) простым поворотом ловушки вокруг горизонтальной оси. В результате нейтроны с кинетической энергией меньшей, чем потенциальная энергия в гравитационном поле Земли, удерживаются в ловушке. Потом ловушка переворачивается отверстием вниз, нейтроны `вытекают` на детектор и таким образом измеряется количество нейтронов, остававшихся в ловушке. Операция повторяется для разных времен удержания и таким образом измеряется экспонента распада нейтрона. Результат измерений оказался наиболее точным: 878.5+0.8 сек (А.П.Серебров и др., Phys.Lett., B 605, 2005), но неожиданным, так как отличается на 6.5 стандартных отклонений от табличных данных. Последующие измерения с магнитной ловушкой УХН, выполненные другой независимой группой ПИЯФ дали результат 878.4+1.8 сек (В.Ф. Ежов и др, 2007, подготовлено к печати) и подтвердили результат, полученный с гравитационной ловушкой. Новые измерения времени жизни нейтрона совместно с последними измерениями асимметрии распада нейтрона позволяют определить матричный элемент Vud матрицы смешивания кварков. Эта величина имеет очень важное значение для Стандартной Модели. Новые измерения устраняют имевшиеся ранее противоречия и дают совпадение с предсказаниями Стандартной Модели. Следует также отметить, что новое время жизни нейтрона лучше описывает процесс первичного нуклеосинтеза при формировании Вселенной. Оно дает лучшее согласие распространенности 4He и отношения числа барионов к фотонам, которые определяются из астрофизических исследований. Кроме приведенных исследований фундаментальных взаимодействий с ультрахолодными нейтронами следует упомянуть измерения квантовых уровней для нейтрона в гравитационном поле с целью поиска отклонений гравитационных взаимодействий на коротких расстояниях (ILL-ОИЯИ-ПИЯФ, 2000-2005). Весьма интересны эксперименты по нейтронной оптике с УХН (А.И.Франк, ОИЯИ, 1997-2007). Наконец, в 2007 году с помощью ультрахолодных нейтронов были проверены (ПИЯФ-ILL, А.П.Серебров и др.) некоторые теоретические гипотезы о возможности переходов (осцилляций) нейтрона в гипотетическую стерильную частицу - зеркальный нейтрон. Теоретические гипотезы рассматривают зеркальные стерильные частицы в качестве кандидатов на темную материю во Вселенной. Установлен предел на время осцилляций 448 с (90% C.L.), который в определенной степени закрывает такие гипотезы.
Перспективы исследований с ультрахолодлными нейтронами тесно связаны с интенсивностью пучков УХН или плотностью ультрахолодного нейтронного газа, получаемого от источников. В связи с этим в докладе предложен к обсуждению проект нового источника УХН на реакторе ВВР-М. Новый метод предполагает использование сверхтекучего гелия при температуре 1.2 К. Ультрахолодные нейтроны, рождающиеся в сверхтекучем гелии, имеют изумительно высокий выход, благодаря очень высокой прозрачности этой квантовой жидкости для нейтронов низких энергий. На это обстоятельство было обращено внимание еще в 1945 г. И.Я. Померанчуком и А.И. Ахиезером. Метод получения УХН на сверхтекучем гелии подробно изучен на пучках холодных нейтронов (Франция, Япония). В настоящее время стоит вопрос об использовании этого метода в условиях облучения нейтронами в 4p геометрии. Фактор выигрыша - 3 порядка величины. Реактор ВВР-М в Гатчине имеет уникальную возможность создания условий облучения холодными нейтронами при низком уровне тепловыделения. Это может быть сделано в тепловой колонне реактора, где есть возможность установить достаточно мощную защиту от g-квантов активной зоны, предзамедлитель при температуре 20 К для получения холодных нейтронов и объем сверхтекучего гелия при Т=1.2 К для получения УХН. В докладе обсуждаются результаты расчетов, показывающих возможность реализации проекта и получения плотности УХН ~ 3Ч103 n/см3, т.е. в 100-500 раз больше, чем в настоящее время. Обсуждаются общий план проекта и первые шаги его реализации - запуск рефрижератора фирмы Linde на температурном уровне 15-20 К. Реализация этого проекта позволит сделать в России лучший в мире источник ультрахолодных нейтронов.
В обсуждении доклада приняли участие:
Член-корреспондент РАН Абов Юрий Георгиевич отметил, что докладчик продемонстрировал большие возможности, которые имеются в этом направлении физических исследований. Нужно максимально поддержать эти работы и введение в строй новых источников. В Гатчине уже 40 лет идет строительство нового источника. Такое затягивание - просто безобразие. С введением в строй холодных и ультрахолодных нейтронов существенно расширится возможность изучения свойств вещества. Президиум РАН должен взять под контроль введение в строй ПИК в Гатчине.
Академик Герштейн Семен Соломонович: удержание нейтрона основано на волновой природе света. Показатели преломления обратно пропорциональны скорости. Поэтому для УХН возможно удержание. Исключительно важно значение для космологии и стандартной модели. Поиски эффектов, которые выходят за пределы стандартной модели, крайне важны. Существуют различные моменты возникновения дипольного момента. Задача их изучения исключительно важна. ПИЯФ в Петербурге - очень интересный институт, имеющий большие научные достижения. У нас нет мощных фабрик, но сотрудники ПИЯФ сумели измерить массу мезона с исключительной точностью, во много раз превосходящую точность измерений на реакторе в Гренобле. На ультрахолодных нейтронах можно было бы создать специальный микроскоп для изучения наноструктур. Это направление исследований, безусловно, надо поддерживать.
Кандидат физико-математических наук Швецов Владимир Николаевич (ОИЯИ, Дубна): 80-90% публикаций об УХН принадлежит российским физикам. Поэтому отсутствие источника удручающе. Необходимо ускорить ввод в строй источника УХН.
Член-корреспондент РАН Кузьмин Вадим Алексеевич: После состоявшегося доклада можно добавить, что пришло время подумать о создании нейтронного ускорителя. Для этого есть все. Можно сделать миллиметровые или даже микронные трубочки, по которым могли бы двигаться нейтроны. Ускорять можно только за счет градиентов магнитного поля. Энергия небольшая, зато можно генерировать энергию на ПИКе, а использовать в Троицке. Результаты применимы в медицине, в исследованиях физики твердого тела и т. д.
Академик Осипьян Юрий Андреевич сказал, что это проблема фундаментальной науки для нашей страны особенно важна, так как у нас не хватает источников УХН. Мы еще в начале 90-х вложили большие деньги в создание реактора ПИК. Строительство до сих пор не закончено. Надо в полной мере использовать возможности исследований, которые мы имеем на реакторе в Гренобле. Но мы работаем там на `птичьих правах`, так как Россия не платит взносы. Это стоит 3 млн. евро в год, но наша страна вполне способна оплачивать это, тем более, что наши учение имеют приоритет в данных исследованиях.
Академик Алферов Жорес Иванович уточнил, что строительство ПИК началось еще в 1978 году, но в 90-е гг. оно почти не финансировалось. Сейчас готовность объекта 70%. Но если мы даже закончим его в 2012 г., РАН не сможет сама содержать его. Надо создать международный центр. В Академическом университете создана кафедра, готовящая специалистов по ядерной физике. Проблема огромная, нужно продумать создание Федерального центра ядерных исследований.
Самсонов Владимир Михайлович (директор ПИЯФ) обратил внимание на тот факт, что средний возраст сотрудников института составляет 51 год. Также он сообщил, что принято постановление, по которому в 2009 г. предусмотрен пуск ПИК, а в 2010 г. - энергетический пуск. По интенсивности ПИК - самый крупный реактор в мире. На нем можно расположить более 50 установок. Поэтому мы понимаем, что этот реактор будет межведомственным. Там может выполняться огромный спектр работ по проблемам физики, можно проводить и чисто коммерческие испытания. Проект ПИК - уникальный, он совершено не устарел. Меня поразил тот факт, что при формировании программы по нанотехнологиям ПИК даже не был упомянут. У нас контракт `под ключ`, строит его мощная корпорация `Титан-2`, но нужно закупать новое оборудование. Нам нужно увеличить численность сотрудников. За этим тянется большой хвост социальных проблем - жилье, зарплаты и т.д. При помощи РАН мы сможем решить все эти задачи.
Академик Андреев Александр Федорович: Наш институт участвовал в исследованиях по использованию сверхтекучего гелия для получения УХН. С финансированием строительства ПИК мы попали в ужасное положение. Должно быть выделено 6 млрд. руб. на завершение строительства - только на `голый` реактор без инфраструктуры. Поэтому мы решили обратиться к Президенту РАН, Миннауки и Росатому, чтобы затем обратиться к Президенту РФ и правительству с просьбой о выделении денег на строительство, эксплуатацию, развитие реактора ПИК и создание на его базе федерального или международного центра. Очень печально, что Россия прекратила выплату взносов в Гренобле. Если они не возобновятся, может быть погублена прекрасная научная школа физиков-микронщиков.
Президент РАН академик Осипов Юрий Сергеевич в завершение обсуждения сказал: ПИК - головная боль всех тех лет, которые я здесь. Мы еще в 90-е гг. пытались договориться, чтобы на базе ПИК был создан международный центр, но иностранцы отказались. Мы уже тогда понимали, что академии это сотрудничество не по плечу. РАН выделяла средства, но проблема до сих пор не решена. Мы договорились с Минатомом о совместном решении проблемы, но Минатома нет, а Росатом не заинтересован в строительстве ПИК. Дело не в кадрах, мы могли бы выделить средства на их содержание. Но реактор `голый`, и его обустройство требует огромных средств. Мы можем выйти на Президента РФ и правительство. Но те деньги, которые выделят целевым образом на определенный объект, уменьшат средства академии на развитие других направлений исследований. Единственный выход - создать кооперацию внутри страны. Конечно, 3 млн. евро - не критическая сумма для нашей страны. Будем просить правительство.
Члены Президиума обсудили и приняли решения по ряду других научно-организационных вопросов.
11.03.2008
www.kreml.org
