Hace unos 10 años, La Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) entró en un nuevo campo de investigación al comenzar a generar neutrones ultrafríos (UCN) para su uso en la investigación fundamental en física. Los físicos y químicos participantes informan ahora de otro gran avance. Han podido aumentar el rendimiento UCN de su fuente en un factor de 3,5. Esto significa que ahora se cumplen los requisitos previos para comenzar las mediciones más sensibles necesarias para determinar la vida útil del neutrón libre.

Los neutrones normalmente no existen en un estado libre, sino que están unidas como partículas neutras dentro del núcleo atómico. Los neutrones libres son inestables y se desintegran con una vida útil de aproximadamente 15 minutos. El reactor de investigación TRIGA Mainz puede generar neutrones térmicos, cuales, una vez puesto en contacto con el deuterio sólido a aproximadamente menos 270 grados Celsius, se ralentizan de modo que viajan a aproximadamente cinco metros por segundo. A esta velocidad, los neutrones libres se pueden almacenar y utilizar en experimentos. Los científicos involucrados en la investigación fundamental están particularmente interesados ​​en determinar las propiedades de estos neutrones libres, especialmente su vida útil y el momento dipolar eléctrico, mediante mediciones de alta precisión. Estos se han complementado recientemente con experimentos para determinar la carga eléctrica del neutrón. "El factor limitante en todos estos experimentos y mediciones viene dictado por la densidad de neutrones ultrafríos que podemos lograr, "explicó el profesor Werner Heil, uno de los científicos de las instalaciones de UCN de la Universidad de Mainz.

Actualmente, científicos de todo el mundo están desarrollando nuevas fuentes de UCN. El reactor Mainz TRIGA puede generar neutrones en modo de pulso, lo que significa que el reactor se pulsa cada cinco minutos y, por lo tanto, entrega un alto flujo de neutrones. Después de desacelerar estos neutrones usando un bloque de deuterio sólido, se pasan a través de una guía de neutrones, similar a un cable de fibra óptica, para su uso en experimentos fuera del escudo biológico del reactor. Además de la actualización de la fuente, la infraestructura también se ha mejorado aún más. La instalación de un licuador de helio directamente en el sitio proporciona un enfriamiento más efectivo del cristal de deuterio y crea excelentes condiciones para que los experimentos se lleven a cabo durante largos períodos de tiempo. Los neutrones del reactor se transportan al lugar de los experimentos a través de tubos de acero inoxidable electropulidos con una superficie interna extremadamente lisa que evita las pérdidas de neutrones. Estas paredes internas de los tubos ahora han recibido un nuevo revestimiento de una aleación de níquel-58-molibdeno para mejorar aún más su rendimiento.

Los científicos han logrado almacenar 8,5 UCN por centímetro cúbico. "En comparación con nuestros resultados anteriores, pudimos aumentar el rendimiento de UCN en un factor de 3,5, ", dijo el profesor Norbert Trautmann del Instituto de Química Nuclear JGU. El recipiente de almacenamiento empleado fue un cilindro de acero inoxidable estandarizado, suministrado especialmente por el Paul Scherrer Institute (PSI) en Suiza para mediciones normalizadas. Este recipiente utilizado para un estudio comparativo de fuentes de neutrones ultrafríos en funcionamiento tiene un volumen de 32 litros, que corresponde a los recipientes de almacenamiento típicos para experimentos UCN. Esta configuración se considera generalmente como la forma más confiable de realizar las mediciones correspondientes. Una densidad de 8.5 UCN por centímetro cúbico coloca a Mainz en la liga principal en este sentido. "Ahora somos totalmente competitivos con los institutos líderes del mundo en el campo, "declaró Heil.

"El aumento de la densidad de UCN es particularmente importante para los experimentos de por vida, que debería comenzar pronto, "dijo el profesor Tobias Reich, director del Instituto de Química Nuclear JGU, que aloja el reactor TRIGA.

Gracias al rendimiento mejorado, los científicos confían en lograr una calidad de experimento mejorada en un tiempo mucho más corto. Determinar exactamente la vida útil del neutrón libre es de gran interés, porque los dos métodos de uso común, es decir., almacenar UCN en recipientes de material y el método de haz de neutrones utilizado para detectar productos de desintegración (protones) en vuelo, producir resultados diferentes. Esto puede deberse a errores sistemáticos no reconocidos oa posibles canales de desintegración exóticos, un indicador de la física más allá del Modelo Estándar.

Las mediciones de UCN se llevaron a cabo utilizando el tubo de haz D de TRIGA Mainz. Esta fuente funciona principalmente en modo pulso y también está disponible para usuarios externos. "Para experimentos futuros, como mediciones de por vida, podremos utilizar la fuente en operación de doble turno durante tres semanas desde las 8 a.m. hasta la medianoche, "agregó el Dr. Christopher Geppert, gerente del TRIGA Mainz.