Das Experiment

Die Verwendung von materiellen Speichergefäßen, wie in bisherigen Experimenten verwendet, hat zum Nachteil, dass die Neutronen mit den Wänden wechselwirken.

Das Magnetfeld in τSPECT. Rot: longitudinales Feld (supraleitende Spulen), blau: Feld des magnetischen Multipols (Permanentmagnete). Die Überlagerung des niedrigen Feldes in der Mitte ist der Aufenthaltsbereich der Neutronen während der Speicherung.

Zusätzlich zum Zerfallskanal können Neutronen daher beispielsweise durch Absorption verloren gehen oder durch sogenanntes thermisches upscattering Energie gewinnen, wodurch sie nicht mehr ultrakalt sind und das Speichergefäß verlassen können. Das Ergebnis wäre eine kürzere gemessene Lebensdauer. Daher sollen in τSPECT statt materiellen Wänden Magnetfelder zum Einsatz kommen. Da das Neutron einen Spin besitzt, kann es durch das daraus resultierende magnetische Moment mit Magnetfeldern wechselwirken. Über die Stern-Gerlach-Kraft erfährt das Neutron eine beschleunigende bzw. abbremsende Kraft je nach Ausrichtung des Spins im Magnetfeld. Der bevorzugte Aufenthaltsbereich in hohen bzw. niedrigen Magnetfeldern verleiht den Neutronen dann den Namen High Field Seeker bzw. Low Field Seeker. In τSPECT setzt sich das Feld zur Speicherung zusammen aus einem longitudinalen Feld, welches durch supraleitende Spulen erzeugt wird (diese Feldkonfiguration stammt noch aus dem Vorgängerexperiment aSPECT), sowie einem magnetischen Multipol aus Permanentmagneten, welcher ein radial ansteigendes Feld erzeugt. Hiermit sind Neutronen mit bis zu 60 neV kinetischer Energie speicherbar.

Die Neutronen werden über Edelstahlrohre von der UCN-Quelle zum Experiment geleitet und dort spinpolarisiert, sobald sie in den Randbereich des longitudinalen Feldes gelangen. Die High Field Seeker werden in den ersten Bereich hohen Feldes beschleunigt. Da diese allerdings nicht speicherbar sind, müssen sie durch einen Spinflip in Low Field Seeker umgewandelt werden. Dies geschieht durch ein transversal eingestrahltes Magnetfeld, welches mit einer RF-Spule erzeugt wird. Sobald die Neutronen im Speichervolumen gefangen sind, wird der Spinflipper durch einer Verfahrmechanik aus dem Randbereich des Speichervolumens herausgezogen. Hier beginnt die Speicherzeit. Anschließend wird von der gegenüberliegenden Seite des Experiments ein Neutronendetektor in das Speichvolumen hineingefahren, welcher die verbliebenen Neutronen zählt.

Aus dem exponentiellen Abfall der gemessenen Neutronenzahl mit zunehmender Speicherzeit wird dann die Lebensdauer extrahiert. Eine erste Speichermessung ist für Juni 2019 geplant.

Der τSPECT Kryostat mit magnetischer Abschirmung an Strahlrohr D. Auf dem Bild fehlen die Vakuumkammern, welche die Mechanik zum Herausziehen des Spinflippers enthalten. Foto/©: Kim Ulrike Roß, JGU