Circa 10 anni fa, La Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) è entrata in un nuovo campo di ricerca iniziando a generare neutroni ultrafreddi (UCN) da utilizzare nella ricerca fondamentale in fisica. I fisici e i chimici partecipanti segnalano ora un'altra importante svolta. Sono stati in grado di aumentare la resa UCN della loro fonte di un fattore 3,5. Ciò significa che ora ci sono i prerequisiti per iniziare le misurazioni più sensibili necessarie per determinare la durata del neutrone libero.

Normalmente i neutroni non esistono allo stato libero, ma sono invece legate come particelle neutre all'interno del nucleo atomico. I neutroni liberi sono instabili e decadono con una durata di circa 15 minuti. Il reattore di ricerca TRIGA Mainz può generare neutroni termici, quale, una volta messo in contatto con il deuterio solido a circa meno 270 gradi Celsius, vengono rallentati in modo da viaggiare a circa cinque metri al secondo. A questa velocità, neutroni liberi possono essere immagazzinati e utilizzati negli esperimenti. Gli scienziati coinvolti nella ricerca fondamentale sono particolarmente interessati a determinare le proprietà di questi neutroni liberi, in particolare la loro durata e momento di dipolo elettrico, mediante misurazioni estremamente accurate. Questi sono stati recentemente integrati da esperimenti per determinare la carica elettrica del neutrone. "Il fattore limitante in tutti questi esperimenti e misurazioni è dettato dalla densità di neutroni ultrafreddi che possiamo raggiungere, " ha spiegato il professor Werner Heil, uno degli scienziati presso la struttura UCN dell'Università di Mainz.

Scienziati di tutto il mondo stanno attualmente sviluppando nuove fonti UCN. Il reattore Mainz TRIGA può generare neutroni in modalità a impulsi, il che significa che il reattore viene pulsato ogni cinque minuti e quindi eroga un flusso di neutroni elevato. Dopo aver decelerato questi neutroni usando un blocco di deuterio solido, sono fatti passare attraverso una guida di neutroni, simile a un cavo in fibra ottica, per l'uso in esperimenti al di fuori dello scudo biologico del reattore. Oltre all'aggiornamento della sorgente, anche l'infrastruttura è stata ulteriormente migliorata. L'installazione di un liquefattore di elio direttamente in loco consente un raffreddamento più efficace del cristallo di deuterio e crea condizioni eccellenti per condurre esperimenti su lunghi periodi di tempo. I neutroni dal reattore vengono trasportati al sito degli esperimenti tramite tubi in acciaio inossidabile elettrolucidato con una superficie interna estremamente liscia che impedisce perdite di neutroni. Queste pareti interne del tubo hanno ora ricevuto un nuovo rivestimento di una lega di nichel-58-molibdeno per migliorare ulteriormente le loro prestazioni.

Gli scienziati sono riusciti a immagazzinare 8,5 UCN per centimetro cubo. "Rispetto ai nostri risultati precedenti, siamo stati in grado di aumentare il rendimento dell'UCN di un fattore 3,5, " ha affermato il professor Norbert Trautmann dell'Istituto JGU di chimica nucleare. Il recipiente di stoccaggio impiegato era un cilindro di acciaio inossidabile standardizzato, appositamente fornito dall'Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera per misurazioni normate. Questa nave utilizzata per uno studio comparativo delle sorgenti di neutroni ultrafreddi in funzione ha un volume di 32 litri, che corrisponde ai tipici contenitori di stoccaggio per esperimenti UCN. Questa configurazione è generalmente considerata il modo più affidabile per eseguire le misurazioni corrispondenti. Una densità di 8,5 UCN per centimetro cubo colloca il Mainz nella massima serie in questo senso. "Ora siamo pienamente competitivi con i principali istituti mondiali del settore, "dichiarò Heil.

"L'aumento della densità dell'UCN è particolarmente importante per gli esperimenti a vita, che dovrebbe iniziare presto, " disse il professor Tobias Reich, capo dell'Istituto di chimica nucleare della JGU, che ospita il reattore TRIGA.

Grazie alle prestazioni migliorate, gli scienziati sono fiduciosi di ottenere una migliore qualità dell'esperimento in un tempo molto più breve. Determinare esattamente la durata del neutrone libero è di grande interesse, perché i due metodi comunemente usati, cioè., immagazzinare l'UCN in contenitori di materiale e il metodo del fascio di neutroni utilizzato per rilevare i prodotti di decadimento (protoni) in volo, danno risultati diversi. Ciò può essere dovuto a errori sistematici non riconosciuti o a possibili canali di decadimento esotici, un indicatore per la fisica oltre il Modello Standard.

Le misurazioni dell'UCN sono state eseguite utilizzando il tubo a fascio D di TRIGA Mainz. Questa sorgente funziona principalmente in modalità a impulsi ed è disponibile anche per utenti esterni. "Per futuri esperimenti, come misurazioni della durata, saremo in grado di utilizzare la sorgente in funzionamento su doppio turno per tre settimane dalle 8:00 a mezzanotte, " ha aggiunto il dottor Christopher Geppert, direttore del TRIGA Mainz.