Нейтронная физика

Явление удержания медленных нейтронов

Академик Я. Б.Зельдович (Институт прикладной математики АН СССР), член-корреспондент АН СССР Ф. Л. Шапиро и кандидаты физико-математических наук А. В. Стрелков, В. И. Лущиков и Ю. Н. Покотиловский (лаборатория нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований) открыли неизвестное ранее явление удержания медленных нейтронов внутри объемов, стенки которых обеспечивают полное внутреннее отражение нейтронов.

Подавляющее большинство экспериментов проводится с частицами, разогнанными до околосветовых скоростей и оставляющими след. Но нейтрон нейтрален, и его нельзя ускорить, как, скажем, протон или Другую заряженную частицу. Благодаря своей нейтральности нейтроны беспрепятственно проникают в защищенные электрическим барьером атомные ядра. Оказавшись там, они вызывают цревращения, которые очень много говорят о свойствах микромира.

В последнее время физиков все больше интересуют свойства самих нейтронов. Нейтрон можно рассматривать как протон, т. е. положительно заряженную частицу, закутанную в отрицательно заряженную мезонную "шубу", - такая конструкция нейтральна. Не исключено, что нейтрон имеет и более сложное строение.

"Традиционным мощным источником нейтрона, - рассказывает академик Я. Б. Зельдович, - являются ядерные реакторы, в которых нейтроны образуются прицепной реакции деления урана-235 или плутония. Но нейтроны нестабильны: за тысячу секунд половина их распадается. Экспериментальное исследование нейтронов затруднительно еще и потому, что они, как правило, не задерживаются в том объеме, в котором расположена аппаратура, - ведь для них любое вещество практически прозрачно.

Как показали теоретические исследования, так называемые ультрахолодные, или, иначе говоря, особо медленные (скорость которых меньше нескольких метров в секунду), нейтроны можно поймать. Для этого они должны обладать неожиданным свойством - полностью отражаться от таких материалов, как стекло, медь, графит. Если их загнать в закрытый сосуд из таких материалов, они останутся там, пока не распадутся.

Трудность состояла в том, чтобы поймать медленные нейтроны. Как и быстрые, они рождаются в атомном реакторе, но в очень малых количествах. На квадрилион быстрых нейтронов рождается один особо медленный. Как же отсортировать их и загнать в сосуд? Для этого воспользовались их свойством течь по кривым трубкам. Быстрые нейтроны пронизывают материал стенок на первом же повороте и летят по прямой, медленные отражаются от стенок и поворачивают в нужном направлении. Именно так и был организован эксперимент, проведенный в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Впервые в мире удалось наполнить ультрахолодными нейтронами из атомного реактора медные, графитовые и стеклянные сосуды".

Вот что рассказывает другой соавтор открытий - А. В. Стрелков:

"Сосуд с нейтронами - уникальнейший прибор. Его чувствительность - невиданная до сего времени. Он позволяет зафиксировать изменение энергии нейтрона всего в 10^-20 электрон-вольт! Это в миллиарды раз меньше, чем позволяли самые современные тонкие методы.

Если раньше, в начале экспериментов, за 200 с мы могли отловить лишь один нейтрон, то сегодня всего за секунду мы имеем их до 10 тыс. Особые детекторы, созданные в лаборатории, помогают эффективно регистрировать такие нейтроны. Но самое главное в другом - нейтроны в наших сосудах живут до 500 с. Можете представить себе, что такое 500 с для физика! Это такое богатство, о котором прежде лишь мечтали. Время жизни отловленных нейтронов мы намерены в ближайшем будущем продлить. А это значит, что теперь можно детально рассмотреть нейтроны и выяснить все, что интересует ученых, в частности действительно ли нейтрон нейтрален.

С одной стороны, мало вероятно, чтобы нейтрон имел не равный нулю полный заряд. Но все же важно проверить точными опытами и это предположение. С другой стороны, не подлежит сомнению, что внутри нейтрона есть положительный заряд, расположенный ближе к центру, и отрицательный - на периферии. Нейтрон вращается, при этом возникает магнитное поле, как от проводника с током. Поэтому физики говорят, что нейтрон имеет магнитный момент. Но есть ли у нейтронов электрический дипольный момент? Другими словами, симметрично ли расположены заряды вдоль оси вращения? На этот вопрос можно будет получить ответ с помощью ультрахолодных нейтронов в ловушке. Если вдруг окажется, что у нейтронов есть электрический дипольный момент, то это поломает наши представления о природе вещей вообще, заставит рассматривать Вселенную с несколько иной точки зрения. Скажем, симметрична она во времени или нет?

Открытие подтверждает правильность современных представлений о взаимодействии тяжелых элементарных частиц с веществом при длинах волн, значительно превышающих межатомные расстояния. Низкая энергия и длительное время хранения ультрахолодных нейтронов делают их чрезвычайно чувствительным инструментом для изучения разного рода слабых взаимодействий.

Использование ультрахолодных нейтронов позволит значительно увеличить точность экспериментов, имеющих фундаментальное значение для физики, таких, как определение времени жизни свободного нейтрона до бета-распада, поиск возможного электрического заряда у нейтрона или электрического дипольного момента. Появляется возможность исследовать поведение элементарных частиц с нулевой массой покоя в предельном случае почти нулевой энергии и свойства идеального "газа" элементарных частиц.

Практическое значение открытия состоит в том, что осваивается новый диапазон нейтронного излучения с длиной волны 10^-4-10^-5 см. В этом диапазоне может быть изучена структура полимерных материалов, крупных белковых молекул, магнитная структура ферромагнитных материалов и сверхпроводников второго рода. Изучение этих материалов с помощью ультрахолодных нейтронов имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами.

Благодаря особым волновым свойствам ультрахолодные нейтроны можно использовать для измерения точности обработки поверхности до уровня 10^-6 см. Создание нейтронного микроскопа позволит в отличие от электронного "просвечивать" неизмеримо более толстые образцы.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 171 и сформулировано так:

"Теоретически предсказано и экспериментально установлено неизвестное ранее явление удержания медленных нейтронов внутри объемов, стенки которых обеспечивают полное внутреннее отражение нейтронов".

Приоритет открытия установлен по двум датам: 3 апреля 1959 г. (теоретическое обоснование), 29 октября 1968 г. (экспериментальное доказательство).