1 Ультрахолодные нейтроны в физике фундаментальных взаимодействий, новые результаты и перспективы 22 ноября 2011, ИТЭФ научная сессия-конференция секции ЯФ ОФН РАН Физика фундаментальных взаимодействий, А.П. Серебров, ПИЯФ РАН

2 1. Интенсивные источники УХН – разработки ПИЯФ 2. Поиск ЭДМ нейтрона. Эксперимент ПИЯФ в ILL. 2a. Поиск СР-нарушающих взаимодействий (axion-like interaction) между нуклонами 3. Распад нейтрона, Стандартная Модель и космология 4. Проект источника УХН с использованием сверхтекучего гелия на реакторе ВВР-М 5. Заключение Содержание 3a. Поиск зеркальной тёмной материи с ультрахолодными нейтронами 3б. Ловушка с ультрахолодными нейтронами как детектор тёмной материи с дальнодействующим радисом сил

3 Интенсивные источники УХН – разработки ПИЯФ

4

История поиска ЭДМ нейтрона. Результаты ПИЯФ. установленный предел Cosmology 5

6 Завершение монтажа двухкамерного ЭДМ спектрометра на реакторе ILL (сентябрь 2008)

История поиска ЭДМ нейтрона. Результаты и планы коллаборации ПИЯФ (ПИЯФ-ФТИ-ILL) установленный предел оценка точности проекта ПИЯФ в ILL оценка точности проекта ПИЯФ на новом источнике УХН на реакторе ВВР-М, Гатчина Cosmology 7 ! !!

США (ORNL) Швейцария (PSI) Франция (ILL) Япония-Канада (KEK-RCNP-TRIUMF) Проекты по измерению ЭДМ нейтрона в мире 8

9 Поиск СР-нарушающих взаимодействий (axion-like interaction) между нуклонами

10 Возможное дальнодействующее взаимодействие (axion-like interaction) между нуклонами A.A. Anselm JETP Lett. v36 N2 (1982) J.E. Moody and Frank Wilczek Phys. Rev. D v30 N1 (1984)

11 Прямые экспериментальные пределы на g S g P и axion window масс или расстоянии взаимодействия

12 Дополнительное псевдомагнитное поле в ЭДМ спектрометре UCN depolarization on vertical walls A. Serebrov (arxiv: ) shift of resonances on horizontal walls O. Zimmer (arxiv: )

13 Измерение деполяризации УХН в ЭДМ спектрометре

14 Измерение сдвига резонанса в ЭДМ спектрометре при изменение направления магнитного поля magnetic field down

15 magnetic field up Измерение сдвига резонанса в ЭДМ спектрометре при изменение направления магнитного поля

16 Установлено новое ограничение ( на 4 -5 порядков лучше) на СР-нарушающие силы между нуклонами. В аксионном окне m a = – ev, g s g p < – UCN depolarization (this work); 2 – shift of resonance (this work); 3 – gravitational levels [5]; 4 – [12]; 5 – astrophysical restriction of axion mass [13]; 6 – cosmological restriction of axion mass in model of cold dark matter [13]. On the upper horizontal axis the mass range of intermediate boson (axion) is shown in correspondence with formula

17

CKM mixing matrix: Требуемая экспериментальная точность измерения времени жизни нейтрона 0.1% Распад нейтрона и Стандартная Модель W.Marciano A.Sirlin PRL 96, (2006) 18

Измерение времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой УХН (ПИЯФ-ОИЯИ-ILL), реактор ILL (ПИЯФ-ОИЯИ), реактор ВВР-М, Гатчина

Наполнение ловушки УХН: =180 20

Мониторинг: =30 21

Удержание: =0 22

Регистрация УХН 1: =40 23

Регистрация УХН 2: =50 24

Регистрация УХН 3: =60 25

Регистрация УХН 4: =75 26

Регистрация УХН 5: =180 27

28 Экстраполяция к времени жизни нейтрона В эксперименте получена наиболее близкая экстраполяция ко времени жизни нейтрона (5 секунд)! 7 s 5 s 13 s узкая ловушка широкая ловушка (квазисферическая) n =( ) s

Lifetime τ[s]Ref./Year V. Ezhov et al A. Serebrov et al M.S. Dewey et al S. Arzumanov et al J. Byrne et al W. Mampe et al V. Nesvizhevski et al J. Byrne et al W. Mampe et al A. Kharitonov et al R. Kossakowski et al W. Paul et al P. Spivac et al J. Last et al M. Arnold et al Y.Y. Kosvintsev et al J. Byrne et al L. Bondarenko et al C.J. Christensen et al до эксперимента с гравитационной ловушкой 2004 после эксперимента с гравитационной ловушкой 2007 после эксперимента с магнитной ловушкой 29

116 s 320 s Сравнение факторов потерь в экспериментах с хранением УХН Зеленая область – область экстраполяции эксперимента ПИЯФ Фактор потерь в эксперименте КИ в 25 раз выше, чем в эксперименте ПИЯФ 30 эксперимент КИ MAMBO I

Анализ с новыми экспериментальными данными и МК поправками 2010 Lifetime τ[s]Ref./Year A. Pichlmaier et al S. Arzumanov et al V. Ezhov et al A. Serebrov et al M.S. Dewey et al S. Arzumanov et al J. Byrne et al W. Mampe et al J. Byrne et al W. Mampe et al A. Kharitonov et al R. Kossakowski et al W. Paul et al P. Spivac et al J. Last et al M. Arnold et al Y.Y. Kosvintsev et al J. Byrne et al L. Bondarenko et al C.J. Christensen et al после эксперимента с магнитной ловушкой 2010 новый анализ Lifetime τ[s]Ref./Year V. Ezhov et al A. Serebrov et al M.S. Dewey et al S. Arzumanov et al J. Byrne et al W. Mampe et al V. Nesvizhevski et al J. Byrne et al W. Mampe et al A. Kharitonov et al R. Kossakowski et al W. Paul et al P. Spivac et al J. Last et al M. Arnold et al Y.Y. Kosvintsev et al J. Byrne et al L. Bondarenko et al C.J. Christensen et al. 1972

32 Подтверждение результата ПИЯФ новыми экспериментами Lifetime τ[s]Ref./Year A. Pichlmaier et al S. Arzumanov et al V. Ezhov et al A. Serebrov et al. 2004

PDG

34 Dependence of the CKM matrix element |V ud | on the values of the neutron lifetime and the axial coupling constant g A. (1) neutron lifetime, PDG 2006; (2) neutron lifetime, this talk; (3) neutron -asymmetry, Perkeo 2007; (4) neutron β-decay, this article + Perkeo 2007; (5) unitarity; (6) nuclear transitions; (7) neutron β-decay, PDG Perkeo Новое среднемировое значение времени жизни нейтрона подтверждает справедливость Стандартной модели

n, Gravitrap result n, world average G. J. Mathews, T. Kajino, T. Shima, Phys. Rev. D 71, (R) (2005) 35

36 Our best value is Yp = ± (stat.) ± (syst.), or 3.3% larger than the value derived from the microwave background radiation fluctuationmeasurements assuming SBBN. In order to bring this high value of Yp into agreement with the deuterium and five-year WMAP measurements, an equivalent number of neutrino flavors in the range 3.68–3.80, depending on the lifetime of the neutron, is required. This is higher than the canonical value of 3 and implies the existence of deviations from SBBN. The Astrophysical Journal Letters, 710:L67–L71, 2010 February 10 THE PRIMORDIAL ABUNDANCE OF 4He: EVIDENCE FOR NON-STANDARD BIG BANG NUCLEOSYNTHESIS Yuri I. Izotov and Trinh X. Thuan N v = 3.8 ± 0.4 τ n = ± 0.8, Ү p = ±

Исследования с реакторными антинейтрино ( Поиск осцилляций в стерильные нейтрино) 37

Схема эксперимента на реакторе ВВР-М ПИЯФ (анализ на осцилляции по расстоянию и по энергии одновременно) 38 Мощность реактора ВВР-М 18 МВт. Скважность работы 50% Размер активной зоны 0.6 метра 5 м 10 м Возможно продолжение эксперимента на реакторе ПИК, мощность в 5 раз больше. Однако, условий лучше, чем на реакторе СМ-3 не найти!!!

Подготовка эксперимента на реакторе ВВР-М по поиску осцилляций в стерильные нейтрино

Подготовка нового эксперимента по измерению времени жизни нейтрона 40

41 Дизайн-проект большой гравитационной ловушки (2)

Изготовление вакуумного объема большой гравитационной ловушки 42

43 Установка окружена платформой 43

44 список улучшений 1.Статистическая точность 0.7 с 0.2 с; 2.Поправка на вакуум 0.4 с 0.04 с; 3.Измерения в двух положениях без разборки; 4.Улучшение фактора потерь ? 5.Ожидаемая точность:статистическая ~ 0.2 с систематическая < 0.1 с

Поиск зеркальной тёмной материи с ультрахолодными нейтронами (осцилляции нейтрон-зеркальный нейтрон n n ) 45

mirror particles particles mirror antiparticles antiparticles История зеркальных идей Концепция зеркального мира как скрытого сектора элементарных частиц была введена в работе : И.Ю.Кобзарев, Л.Б.Окунь и И.Я.Померанчук, Ядерная физика. 3, 1154 (1966), и недавно обсуждалась в обзоре: «Зеркальные частицы и зеркальная материя: 50 лет спекуляций и поисков» Л.Б.Окунь, Успехи физических наук 50 (2007) 380 mirror world mirror antiworld world antiworld Сосуществование возможно, но переходы затруднены Аннигиляция!! Сосуществование не возможно coexistence L R L R =?

Метод поиска n-n осцилляций в экспериментах по хранению УХН в ловушке При точности измерения времени хранения можно установить ограничение n-n > 500 c. H=0 (H

48 Подготовка n n эксперимента в ИЛЛ (Гренобль)

Новый экспериментальный предел в PDG As a result of measurements carried out in this work a new lower limit for the time of neutron mirror neutron oscillations was established: This limit is already not too far from the neutron lifetime but might still be too low to provide restriction of the mechanism of appearance of high-energy protons above the GZK-cutoff in cosmic radiation due to n-n' oscillations.

Ловушка с УХН как детектор частиц тёмной материи с дальнодействующим радиусом сил

Variation part of energy spectrum of signals with annual period in the experiment DAMA - It is possible in case of long-range forces of dark matter particles. - It is crucial point for our further consideration. (One can assume the further growth of count rate of events as energy decreases.) ?!, ~d /d

52 Время жизни нейтрона из экспериментов по хранению УХН и экспериментов на нейтронном пучке n =9.8(2.96) s (3.3 )

Probability of UCN storage in the trap: - neutron lifetime from UCN experiments - neutron lifetime from beam experiments Probability of loss due to interaction with DM: number of particles in cm 3 - unknown capture factor of DM on the Earth

Constraints for parameters and from: neutron lifetime experiments (UCN-1), k capt =1; UCN low energy upscattering (UCN-2), k capt =1; experiments for matter-matter interaction (M-M). and prediction for and from DAMA experiment.

Процесс захвата и накопления тёмной материи в гравитационном поле Земли Galaxy flux of dark matter thermalisation inside the Earth galo due to particles with kinetic energy less than potential energy escape from gravitational field of Earth for particles with kinetic energy more than potential energy

Плотность на поверхности Земли для дальнодействующей DM и WIMPs DM M.Onegin, A.Serebrov, O.Zherebtsov. arXiv: [nucl-ex] 15 September factor of increasing for long-range DM ~ 10 6 factor of increasing for WIMPs DM ~ 10 2

Возможная схема движения DM вокруг Земли Moon EarthSun Assumption of predicted behaviour of the dark matter captured by the system Earth-Moon

Обработка экспериментальных данных с периодом 24 часа 50 минут 29 Aug – 22 Sep Nov – 03 Dec 2007 ( / ) 24h50m =(-1.9±1.0) ( / ) 24h50m =(-1.4±1.3) ( / ) 24h50m =(-1.7±0.8) 10 -4

Установлен верхний предел на плотность тёмной материи с дальнодействующим радиусом сил на Земле : 59 g/сm -3

Проект источника ультрахолодных и холодных нейтронов с использованием сверхтекучего гелия на реакторе ВВР-М 60

Принцип работы источника Ультрахолодные нейтроны рождаются в гелии из холодных нейтронов с длиной волны 9 Å или энергией 12 К, которая как раз равна энергии фонона, т.е. холодный нейтрон возбуждает фонон и сам практически останавливается, становясь ультрахолодным. УХН могут жить в сверхтекучем гелии до поглощения фонона десятки и сотни секунд. Холодные нейтроны (9 Å) проникают через стенку ловушки, а ультрахолодные (500 Å) отражаются, поэтому возможен эффект накопления УХН до плотности определяемой временем хранения в ловушке с гелием. 61 ХН =9 Å, T=12 K УХН =500 Å, T=10 -3 K фонон

И.Я.Померанчук Избранные труды Рассеяние нейтронов в жидком гелии Супер источник УХН на сверхтекучем He-II R. Golub, J.M. Pendlebury, Phys. Lett. A 62 (1977) 337 E нач =12 K E УХН K =9 Å 62

Продольный разрез реактора ВВР-М. 1 – активная зона, 2 – бак реактора, 3 – бетонная защита, 4 – надреакторная камера, 5 – горизонтальный канал, 6 – тепловая колонна, 7 – вертикальный канал. Поперечный разрез реактора ВВР-М 63 Реактор ВВР-М Тепловая колонна

Расчеты по MCNP нейтронных потоков и тепловыделения в тепловой колонне реактора ВВР-М при мощности 15 МВт He Т=1.2 К Pb Т=300 К Ф=10 14 n/(см 2 с) Q=15 МВт УХН =10 4 см -3 ( =10 с) Ф= n/(см 2 с) Ф( =9 А)= n/(см 2 с) Q He =6 Вт Al, Q Al =13 Вт C, Q C =700 Вт Pb, Q Pb =15 кВт 19 Вт 64 LD 2 Т=20 К C Т=300 К LD 2, Q LD2+Al =100 Вт

Принципиальная схема низкотемпературной части 1 – камера источника; 2 – нейтроновод УХН, 3 – нейтроновод ХН, 4 – труба заливки камеры, 5 – нижняя ванна с температурой 1,2 К, 6 – промежуточная ванна с температурой 1,2 К, 7 – фильтр Не3, 8 – датчик уровня жидкости в нижней ванне, 9 – верхняя ванна с температурой 4,2 К, 10 – вентиль подачи гелия в промежуточную ванну, 11 – датчик уровня жидкости в промежуточной ванне, 12 - трубопровод вакуумной откачки камеры (гравитационный затвор УХН), 13 - трубопровод вакуумной откачки нижней ванны, 14 - трубопровод вакуумной откачки промежуточной ванны, 15 – общий трубопровод откачки, 16 – мембрана нейтроновода УХН, 17 – мембрана нейтроновода ХН, 18 – тепловой экран с температурой 20 К, 19 – вакуумный кожух, 20 – внешний нейтроновод УХН, 21 – внешний нейтроновод ХН, 22 –заливка верхней ванны жидким гелием с температурой 4,2 К, 23 –отвод паров гелия, 24 – подача газообразного гелия на охлаждение теплового экрана 18, 25 – отвод газообразного гелия от экрана 18, 26 – откачка вакуумного кожуха. UCN CN 65

66 а - установка свинцовой защиты источника; б - установка графитового предзамедлителя; в - установка низкотемпературного модуля, сверхпроводящего магнита-поляризатора УХН и коммутатора пучков УХН; г - установка биологической защиты источника аб вг Разработан проект монтажа источника на реакторе

Установлено криогенное оборудование В настоящее время для создания источника в ПИЯФ имеется современное криогенное оборудование фирмы Linde Kryotechnik AG: Гелиевый рефрижератор TCF 50 производительностью 3000 Вт на температурном уровне 15 К Гелиевый ожижитель L280 производительностью 80 л/час Откачная станция гелия 15 м 3 /с (0.5 mbar) 67

Общий вид сверху 68

Гелиевый рефрижератор 69 Гелиевый ожижитель

Системы управления газом 70

71 Вакуумное оборудование для откачки Не

Источник ультрахолодных и холодных нейтронов на реакторе ВВР-М с нейтроноводными залами зал холодных нейтронов (2 ая очередь) зал очень холодных нейтронов зал ультрахолодных нейтронов зал тепловых нейтронов 72

Сравнение плотности ультрахолодных нейтронов нового источника с существующими UCN density (сm -3 )Gain factor Present project10 4 ILL (turbine source)

74 1. Поиск ЭДМ нейтрона. 1а.Установлено новое ограничение (на 4 -5 порядков лучше) на СР-нарушающие силы между нуклонами. В аксионном окне m a = – ev, g s g p < Распад нейтрона, Стандартная Модель и космология. Реализован эксперимент по измерению n с наилучшей точностью 0.8 с. Это практически прямое измерение n. Фактор потерь ~1%. Новое время жизни нейтрона ( ) с. Результат ПИЯФ подтверждён другими экспериментами. Новое значение времени жизни нейтрона подтверждает справедливость Стандартной модели и имеет большое значение для космологии. 3. Источник ультрахолодных и холодных нейтронов с использованием сверхтекучего гелия на реакторе ВВР-М. Разработан проект, установлено криогенное оборудование, ведётся подготовка к тестовым внереакторным измерениям. 2a. Поиск зеркальной тёмной материи с ультрахолодными нейтронами. Установлен новый предел на время осцилляций нейтрон-зеркальный нейтрон. 2б. Установлен верхний предел на плотность тёмной материи с дальнодействующим радиусом сил на Земле : g/сm -3 Эксперимент ПИЯФ перенесён в ILL (Франция), ведутся измерения ЭДМ.