Il y a une dizaine d'années, L'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) est entrée dans un nouveau domaine de recherche en commençant à générer des neutrons ultrafroids (UCN) destinés à la recherche fondamentale en physique. Les physiciens et chimistes participants rapportent maintenant une autre percée majeure. Ils ont pu multiplier par 3,5 le rendement UCN de leur source. Cela signifie que les conditions préalables sont maintenant en place pour commencer les mesures plus sensibles requises pour déterminer la durée de vie du neutron libre.

Les neutrons n'existent normalement pas à l'état libre, mais sont plutôt liés en tant que particules neutres dans le noyau atomique. Les neutrons libres sont instables et se désintègrent avec une durée de vie d'environ 15 minutes. Le réacteur de recherche TRIGA Mayence peut générer des neutrons thermiques, lequel, une fois mis en contact avec du deutérium solide à environ moins 270 degrés Celsius, sont ralentis de sorte qu'ils se déplacent à environ cinq mètres par seconde. A cette vitesse, les neutrons libres peuvent être stockés et utilisés dans des expériences. Les scientifiques impliqués dans la recherche fondamentale s'intéressent particulièrement à la détermination des propriétés de ces neutrons libres, en particulier leur durée de vie et leur moment dipolaire électrique, grâce à des mesures très précises. Celles-ci ont été récemment complétées par des expériences pour déterminer la charge électrique du neutron. "Le facteur limitant dans toutes ces expériences et mesures est dicté par la densité de neutrons ultrafroids que nous pouvons atteindre, " a expliqué le professeur Werner Heil, l'un des scientifiques de l'installation UCN de l'Université de Mayence.

Les scientifiques du monde entier développent actuellement de nouvelles sources UCN. Le réacteur TRIGA de Mayence peut générer des neutrons en mode impulsionnel, ce qui signifie que le réacteur est pulsé toutes les cinq minutes et délivre ainsi un flux de neutrons élevé. Après avoir décéléré ces neutrons à l'aide d'un bloc de deutérium solide, ils sont passés à travers un guide neutronique, semblable à un câble à fibre optique, pour une utilisation dans des expériences en dehors du bouclier biologique du réacteur. Outre la mise à niveau des sources, l'infrastructure a également été encore améliorée. L'installation d'un liquéfacteur d'hélium directement sur site permet un refroidissement plus efficace du cristal de deutérium et crée d'excellentes conditions pour que les expériences se déroulent sur de longues périodes. Les neutrons du réacteur sont transportés vers le site des expériences via des tubes en acier inoxydable électropoli avec une surface interne extrêmement lisse qui empêche les pertes de neutrons. Ces parois intérieures de tubes ont maintenant reçu un nouveau revêtement d'un alliage nickel-58-molybdène pour améliorer encore leurs performances.

Les scientifiques ont réussi à stocker 8,5 UCN par centimètre cube. « Par rapport à nos précédents résultats, nous avons pu augmenter le rendement UCN d'un facteur de 3,5, " a déclaré le professeur Norbert Trautmann de l'Institut de chimie nucléaire JGU. Le récipient de stockage utilisé était un cylindre en acier inoxydable normalisé, spécialement fourni par l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse pour les mesures normées. Cette cuve utilisée pour une étude comparative des sources de neutrons ultrafroids en fonctionnement a un volume de 32 litres, ce qui correspond aux récipients de stockage typiques pour les expériences UCN. Cette configuration est généralement considérée comme le moyen le plus fiable d'effectuer les mesures correspondantes. Une densité de 8,5 UCN par centimètre cube place Mayence en première division à cet égard. « Nous sommes désormais pleinement compétitifs avec les principaux instituts mondiaux du domaine, " a déclaré Heil.

"L'augmentation de la densité UCN est particulièrement importante pour les expériences à vie, qui devrait commencer bientôt, " a déclaré le professeur Tobias Reich, directeur de l'Institut de chimie nucléaire JGU, qui abrite le réacteur TRIGA.

Grâce à l'amélioration des performances, les scientifiques sont convaincus d'obtenir une qualité d'expérience améliorée dans un temps beaucoup plus court. Déterminer exactement la durée de vie du neutron libre est d'un intérêt majeur, parce que les deux méthodes couramment utilisées, c'est à dire., le stockage de l'UCN dans des cuves de matériaux et la méthode du faisceau de neutrons utilisée pour détecter les produits de désintégration (protons) en vol, donner des résultats différents. Cela peut être dû soit à des erreurs systématiques non reconnues, soit à de possibles canaux de désintégration exotiques, un indicateur pour la physique au-delà du modèle standard.

Les mesures UCN ont été effectuées à l'aide du tube à faisceau D de TRIGA Mainz. Cette source fonctionne principalement en mode impulsion et est également disponible pour les utilisateurs externes. "Pour de futures expériences, telles que les mesures de durée de vie, nous pourrons utiliser la source en double poste pendant trois semaines de 8h à minuit, " a ajouté le Dr Christopher Geppert, directeur du TRIGA Mayence.