Ультрахолодные нейтроны продолжают удивлять

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна" N 24 (2007)

Суть этого впервые наблюдаемого явления в самых общих чертах заключается в следующем. В 1968 году в Лаборатории нейтронной физики под руководством члена-корреспондента АН СССР Федора Львовича Шапиро был поставлен эксперимент, в котором впервые наблюдалось явление удержания в сосудах очень медленных нейтронов, предсказанное советским физиком академиком Я.Б.Зельдовичем. Поведение нейтронов, удерживаемых в вакуумированных сосудах, напоминает поведение сильно разреженного газа в сосуде. Такие нейтроны получили название ультрахолодных (УХН).

Как элементарная частица нейтрон - не чайник, который можно подогреть на плите, однако, под температурой нейтрона принято понимать его кинетическую энергию, которая для УХН составляет одну тысячную градуса Кельвина. Только для таких медленно движущихся нейтронов их размер, определяемый дебройлевской длиной волны, становится уже макроскопической величиной от 0,1 до 1 микрона - то есть в тысячи раз превосходящей размеры атомов. По этой причине при столкновении такого "большого" нейтрона с поверхностью он взаимодействует сразу с десятком тысяч ядер атомов приповерхностного слоя вещества. При этом хаотическое тепловое движение отдельных атомов вещества, имеющее энергию, в сотни тысяч раз превосходящую энергию падающего на поверхность нейтрона, усредняется на площади, соответствующей размеру нейтрона. Таким образом, нейтроны, обладающие кинетической энергией, соответствующей температуре порядка 0,001^о К, почти идеально упруго, то есть без изменения энергии, отражаются от стенки вещества, которая имеет комнатную температуру около 300^о К. Такая "теплоизоляция" очень "холодного" нейтрона от очень "горячей" стенки позволяет нейтронам, последовательно испытывая множество (до 10⁶) столкновений о стенки, удерживаться в замкнутом вакуумированном сосуде достаточно продолжительное время (порядка 10 минут), в принципе, ограниченное только радиоактивным распадом самого нейтрона.

Удержание УХН в сосудах привлекает исследователей возможностью (по сравнению с однократным пролетом нейтрона через экспериментальный объем) понаблюдать подольше за этой элементарной частицей в экспериментальной установке, что дает существенное (в тысячи раз) увеличение чувствительности и точности экспериментов по изучению взаимодействия нейтронов с полями и веществом. Например, использование УХН позволило в тысячу раз опустить предел существования электрического дипольного момента нейтрона, необходимого для проверки закона сохранения временной четности; более точно измерить время жизни свободного нейтрона до бета-распада. Перспективными являются и прикладные исследования с УХН, особенно в области физики поверхности. УХН хорошо "видят" только атомы поверхности, поскольку они всю свою жизнь проводят в полете в вакууме между отражениями, не поглощаясь, и в приповерхностном слое вещества толщиной порядка собственного размера нейтрона (его длины волны ~20 нанометров). УХН используются для элементного анализа поверхности и изучения динамики тепловых колебаний поверхностных атомов. Интересна и уникальная возможность изучения возбуждений в сверхтекучих ⁴Не пленках.

Детекторная часть установки, расположенная в экспериментальном зале реактора ИБР-1, на которой впервые наблюдалось длительное хранение нейтронов в сосуде - медной трубе (изогнутая часть видна на снимке справа). Монтаж ведут лаборант С.И.Неговелов (в центре) и асприант Института химической физики Ю.Н.Покотиловский (слева). Август 1968 года.

Прошло уже почти сорок лет, как в Дубне на стареньком реакторе ИБР мощностью всего 6 кВт были впервые зарегистрированы УХН. Их объемная плотность в сосуде составила всего-навсего 1 нейтрон на 100 литров. Этот эксперимент положил начало новой области исследований в нейтронной физике - физики ультрахолодных нейтронов. Постепенно в исследования с УХН вовлеклись более десятка отечественных и зарубежных институтов с обширной географией: четыре института в Москве, Гатчина, Алма-Ата, Димитровград, Лыткарино, Саров, а также Германия, Великобритания, Франция, Канада и США. Для получения УХН использовались различные реакторы от слабенького английского университета (Сассекс) мощностью ~0,5 МВт до высокопоточных реакторов в Димитровграде (110 МВт) и Гренобле (~53 МВт), где плотность ультрахолодных нейтронов в сосудах удалось довести до 10² УХН в 1 см³. Есть идеи, как еще увеличить эту плотность.

Исследования с УХН преподнесли экспериментаторам некоторый сюрприз - с первых же опытов оказалось, что время удержания УХН в сосуде во много раз меньше ожидаемого. Наблюдалась значительная неконтролируемая дополнительная утечка УХН из сосудов, природа которой до сих пор не имеет удовлетворительного объяснения. В процессе исследований этой аномально большой утечки нейтронов в ЛНФ были поставлены эксперименты, в которых наблюдалась утечка УХН из сосудов посредством ускорения (нагрева) ультрахолодных нейтронов в момент их удара о стенки сосуда. Несмотря на то, что, казалось бы, газ, состоящий из нейтронов, достаточно хорошо "теплоизолирован" от стенок сосуда, все-таки с малой вероятностью (из-за неполного усреднения тепловых движений атомов стенки) должны существовать процессы ускорения УХН в момент их удара о стенку. Именно эти, бывшие ультрахолодные, но уже ускорившиеся нейтроны, покидали сосуд, проникая через его стенки, и были зарегистрированы в эксперименте счетчиками тепловых нейтронов, окружающими сосуд с УХН. Регистрируемый поток тепловых нейтронов оказался пропорционален объемной плотности УХН в сосуде: не вызывало сомнений, что регистрируемые тепловые нейтроны представляют собой бывшие УХН, таким способом покидающие сосуд. Однако регистрируемый поток нейтронов был явно недостаточен, чтобы в ряде случаев объяснить аномальную утечку УХН из сосудов.

В принципе, даже незначительное ускорение УХН приводит к тому, что они уже теряют способность отражаться от стенок сосуда и покидают его, так как стенки могут отражать нейтроны только до некоторой предельно граничной энергии. Она определяется свойством вещества стенок сосуда - рассеивающей нейтроны способностью ядер вещества стенки и объемной концентрацией ядер вещества в ней. Если существует такой малый нагрев, то нейтроны, ускорившись, пробивают удерживающий их поверхностный энергетический барьер стенки и, проникая в нее, поглощаются в веществе стенки, поскольку вероятность захвата этих ускоренных, но все еще очень медленных нейтронов очень велика. По термодинамическим соображениям такой малый нагрев УХН - обмен очень малыми порциями энергии (~10^-8 эВ) между нейтроном и стенкой казался статистически очень маловероятным. Поэтому казалось, что он не мог быть причиной аномальных потерь УХН из сосудов. Пожалуй, только от безысходности экспериментаторы, не найдя во всех предполагаемых механизмах пропажи УХН из сосудов достойного, решили сосредоточиться на канале малого нагрева, даже несмотря на то, что такие процессы теоретически ожидались с мизерной вероятностью - на много порядков меньше, чем требовалось для объяснения потерь УХН из сосудов.

Группа экспериментаторов из ЛНФ (фамилии которых указаны в начале этой статьи) изготовили большой и довольно сложный спектрометр УХН, действие которого основано на эффекте притяжения свободного нейтрона к Земле. Вездесущее гравитационное поле нашей Земли обычно заметным образом не влияет на процессы в ядерной физике, однако, для УХН гравитационное взаимодействие приводит к тому, что у нейтронов не хватает кинетической энергии, чтобы подняться в гравитационном поле на высоту 1 метр! В созданном гравитационном спектрометре сосуд для хранения УХН представляет собой медную столитровую кастрюлю, которая сверху не закрыта, поскольку у хранящихся в ней УХН недостаточно кинетической энергии, чтобы допрыгнуть до края этой кастрюли. Но если хранящиеся УХН немножко подтолкнуть (если стенка передаст нейтрону некоторую энергию), то кинетическая энергия таких нейтронов уже будет достаточной, чтобы они могли перелететь через верхний край кастрюли и попасть в счетчик нейтронов, расположенный вне этой емкости.

Созданный в ЛНФ Большой гравитационный спектрометр (БГС) - это вертикальный цилиндрический вакуумный кожух диаметром 1,5 м и высотой 4 м, внутри которого, упакованный в многочисленные экраны в специальном своем "чистом" вакууме, находился сосуд для хранения УХН, температура которого могла изменяться в пределах от 80 до 600^о К. Многочисленные клапаны для УХН и управляемые поглотители, формирующие спектр скоростей УХН в спектрометре, приводились в действие ЭВМ. Поставленный на пучок УХН на реакторе Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Франция) БГС зарегистрировал поток слегка нагретых нейтронов, которые ускорились при ударе о стенки во время хранения всего-навсего в полтора-два раза. В принципе, такой процесс термодинамически не запрещен, но удивительным было то, что его интенсивность оказалась на 5-6 порядков больше значений, ожидаемых по теории. Вызвало удивление и то, что наряду с малым нагревом был четко зарегистрирован и процесс дальнейшего охлаждения УХН при их ударе о "горячую" стенку. Процесс охлаждения УХН на "горячей" стенке оказался всего в 6-7 раз менее интенсивным, чем наблюдаемый малый нагрев, но в десятки тысяч раз превышал расчетные значения.

Эти сенсационные результаты были с большим недоверием восприняты большинством специалистов по физике УХН, среди которых нашлись и такие, которые препятствовали их публикации. Понадобилось несколько лет для того, чтобы после неоднократных повторений эксперимента этой же группой из ЛНФ и других постановок аналогичных экспериментов этот эффект был подтвержден и более тщательно исследован.

Пока нет окончательного ответа на природу малых передач энергии от стенки нейтрону. Наиболее вероятно то, что этот процесс вызван столкновениями с присутствующими, возможно, на поверхности очень маленькими частицами вещества, содержащими порядка 10⁶ атомов (нанопылинки). Такие частички очень слабо связаны с поверхностью и находятся в состоянии постоянного хаотического теплового (броуновского) движения, соответствующего температуре стенки сосуда, вдоль поверхности которой они достаточно свободно двигаются со скоростью порядка скорости самих УХН. В пользу такого объяснения природы малого нагрева говорил результат эксперимента, в котором на поверхность сосуда последовательно наносилось некоторое количество наночастиц алмаза размером примерно 100 ангстрем, что приводило к постепенному увеличению эффекта малого нагрева в 100 раз! Этой же группой наблюдался удивительный эффект увеличения почти в 100 раз процесса малого нагрева УХН на поверхности нержавеющей стали, только в относительно узком температурном диапазоне (300-340)^о С предварительного прогрева в вакууме этой поверхности. Параллельное исследование микроструктуры этой поверхности, выполненное на микроскопе атомных сил, показало существенное увеличение поверхностной концентрации наноструктур размером около 100 ангстрем, то есть длины волны УХН.

В настоящее время в ЛНФ идет подготовка к новым экспериментам по исследованию этого удивительного эффекта.

А. СТРЕЛКОВ, ведущий научный сотрудник ЛНФ, фото автора.