För cirka 10 år sedan, Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) gick in i ett nytt forskningsfält genom att börja generera ultrakalla neutroner (UCN) för användning i grundforskning inom fysik. De deltagande fysikerna och kemisterna rapporterar nu om ytterligare ett stort genombrott. De har kunnat öka UCN-utbytet från sin källa med en faktor 3,5. Det innebär att förutsättningarna nu finns för att påbörja de känsligare mätningarna som krävs för att bestämma den fria neutronens livslängd.

Neutroner finns normalt inte i ett fritt tillstånd, men är istället bundna som neutrala partiklar inom atomkärnan. Fria neutroner är instabila och sönderfaller med en livslängd på cirka 15 minuter. TRIGA Mainz forskningsreaktor kan generera termiska neutroner, som, en gång kommit i kontakt med fast deuterium vid ungefär minus 270 grader Celsius, saktas ner så att de färdas med cirka fem meter per sekund. Vid denna hastighet, fria neutroner kan lagras och användas i experiment. Forskare som är involverade i grundforskning är särskilt intresserade av att bestämma egenskaperna hos dessa fria neutroner, speciellt deras livstid och elektriska dipolmoment, med hjälp av mycket noggranna mätningar. Dessa har nyligen kompletterats med experiment för att bestämma neutronens elektriska laddning. "Den begränsande faktorn i alla dessa experiment och mätningar dikteras av tätheten av ultrakalla neutroner vi kan uppnå, " förklarade professor Werner Heil, en av forskarna vid UCN-anläggningen vid Mainz University.

Forskare över hela världen utvecklar för närvarande nya UCN-källor. Mainz TRIGA-reaktorn kan generera neutroner i pulsläge, vilket innebär att reaktorn pulsas var femte minut och levererar därmed ett högt neutronflöde. Efter att ha bromsat dessa neutroner med ett block av fast deuterium, de leds genom en neutronledare, liknande en fiberoptisk kabel, för användning i experiment utanför reaktorns biologiska sköld. Förutom källuppgraderingen, infrastrukturen har också förbättrats ytterligare. Installationen av en heliumvätska direkt på plats ger en effektivare kylning av deuteriumkristallen och skapar utmärkta förutsättningar för experiment att genomföras under långa tidsperioder. Neutronerna från reaktorn transporteras till platsen för experiment via elektropolerade rör av rostfritt stål med en extremt slät inre yta som förhindrar neutronförluster. Dessa rörets innerväggar har nu fått en ny beläggning av en nickel-58-molybdenlegering för att ytterligare förbättra deras prestanda.

Forskarna har lyckats lagra 8,5 UCN per kubikcentimeter. "Jämfört med våra tidigare resultat, vi kunde öka UCN-avkastningen med en faktor 3,5, " sa professor Norbert Trautmann vid JGU Institute of Nuclear Chemistry. Lagringskärlet som användes var en standardiserad cylinder av rostfritt stål, speciellt tillhandahållen av Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz för normerade mätningar. Detta kärl som används för en jämförande studie av ultrakalla neutronkällor i drift har en volym på 32 liter, vilket motsvarar typiska lagringskärl för UCN-experiment. Denna inställning anses generellt vara det mest tillförlitliga sättet att utföra motsvarande mätningar. En densitet på 8,5 UCN per kubikcentimeter placerar Mainz i Premier League i detta avseende. "Vi är nu fullt konkurrenskraftiga med världens ledande institut inom området, " sade Heil.

"Den ökade UCN-densiteten är särskilt viktig för livstidsexperiment, som borde börja snart, sa professor Tobias Reich, chef för JGU Institute of Nuclear Chemistry, som rymmer TRIGA-reaktorn.

Tack vare den förbättrade prestandan, forskarna är säkra på att uppnå en förbättrad experimentkvalitet på mycket kortare tid. Att exakt bestämma livslängden för den fria neutronen är av stort intresse, eftersom de två vanligaste metoderna, dvs. lagring av UCN i materialkärl och neutronstrålemetoden som används för att detektera sönderfallsprodukter (protoner) under flygning, ge olika resultat. Detta kan bero på antingen okända systematiska fel eller på möjliga exotiska förfallskanaler, en indikator för fysik utöver standardmodellen.

UCN-mätningarna utfördes med hjälp av strålrör D från TRIGA Mainz. Denna källa drivs huvudsakligen i pulsläge och är även tillgänglig för externa användare. "För framtida experiment, såsom livstidsmätningar, vi kommer att kunna använda källan i dubbelskiftsdrift i tre veckor från 08.00 till midnatt, " tillade Dr Christopher Geppert, chef för TRIGA Mainz.