Zimne neutrony o wysokiej intensywności pozwalają głębiej zbadać asymetrię materii i antymaterii
Europejskie Źródło Spalacyjne (ESS) to multidyscyplinarne międzynarodowe laboratorium budowane we współpracy z 13 krajami europejskimi. Zlokalizowane w Lund (Szwecja) i Kopenhadze (Dania), będzie mieściło najpotężniejsze na świecie źródło neutronów zasilane akceleratorem. Laboratorium ESS ma zapewnić głęboki wgląd w strukturę i zachowanie materiałów na najmniejszym poziomie. Zdolność neutronów do wnikania głęboko w materiały, a także ich wrażliwość na lekkie pierwiastki, takie jak wodór i lit, sprawiają, że idealnie nadają się do badania delikatnych próbek. Otwiera to nowe możliwości badań w dziedzinie materiałoznawstwa, chemii, biologii strukturalnej i fizyki cząstek elementarnych.
Planowanie drugiego źródła neutronów
Od 2027 r. ESS planuje wdrożyć program dla użytkowników obejmujący do 15 instrumentów do rozpraszania neutronów. „Podstawowym kryterium przy projektowaniu początkowego źródła było osiągnięcie wyjątkowo wysokiej jasności neutronów. Ale wizja ESS na tym się nie kończy. Jego elastyczna konstrukcja pozwala na integrację drugiego źródła neutronów” — zauważa Valentina Santoro, koordynatorka finansowanego ze środków UE projektu HighNESS. To dodatkowe źródło będzie miało uzupełniające właściwości umożliwiające dostarczanie zimnych neutronów o wysokiej intensywności, czyli charakteryzujących się niskimi energiami, na potrzeby badania struktur atomowych. Będzie również generować neutrony o jeszcze niższych energiach, określane jako bardzo zimne neutrony (VCN) i ultrazimne neutrony, co poszerzy zakres możliwości badawczych. „Te nowe możliwości umożliwią realizację ambitnych projektów z zakresu fizyki podstawowej, w tym poszukiwanie oscylacji neutronów i antyneutronów, potencjalnie rozwiązując jedną z najważniejszych tajemnic wszechświata — asymetrię materii i antymaterii” — wyjaśnia Santoro. Dlatego głównym celem projektu HighNESS było zaprojektowanie drugiego źródła neutronów uzupełniającego źródło bi-spektralne o wysokiej jasności umieszczone nad tarczą spalacyjną. To nowe źródło będzie w stanie obsługiwać przyszłe instrumenty rozpraszania neutronów planowane dla laboratorium ESS. „Nasza propozycja obejmowała przypadek naukowy obejmujący różne techniki rozpraszania neutronów, w tym eksperyment NNBAR, który ma na celu wykrycie oscylacji neutronów do antyneutronów” — stwierdza Santoro. „Bez źródła zapewniającego intensywność kilkukrotnie wyższą niż obecny moderator ESS, nasze cele naukowe nie byłyby możliwe do osiągnięcia” — podkreśla Santoro. „Ciekły deuter, używany od dziesięcioleci w reaktorach i ciągłych źródłach spalacyjnych, okazał się jedyną realną opcją dla takiego źródła”. Ostateczny projekt zapewnił intensywność dziesięciokrotnie większą niż obecne źródło ESS, co miało kluczowe znaczenie dla eksperymentu NNBAR, umożliwiając osiągnięcie oczekiwanych poziomów czułości. Zimne źródło ponadto charakteryzuje się rozszerzoną powierzchnią emisji w porównaniu do górnego moderatora, co zostało wykorzystane przy projektowaniu innowacyjnych instrumentów rozpraszania neutronów, które przewyższą te budowane w ESS.
Pokonywanie wyzwań
Ambitne plany opracowania intensywnego źródła bardzo zimnych neutronów nie są nowe — prace trwały ponad dwie dekady, napotykając przeszkody głównie ze względu na ograniczone zrozumienie właściwości materiałów niskotemperaturowych, uważanych za obiecujących kandydatów na takie źródło. Aby temu sprostać, w ramach projektu HighNESS z powodzeniem opracowano biblioteki danych jądrowych niezbędne do niezawodnych symulacji i projektowania źródeł neutronów. Rozwój ten stanowi znaczący przełom w projektowaniu źródeł i jest teraz dostępny dla społeczności, zgodnie z polityką otwartego oprogramowania. Projekt HighNESS ułatwił również współpracę z NNBAR w celu osiągnięcia dwukrotnie większej czułości niż pierwotnie proponowano, dzięki projektowi zimnego źródła o najwyższej wydajności, nowemu systemowi optycznemu i badaniom nad detektorami. „Podsumowując, opracowaliśmy źródło, które pozycjonuje ośrodek ESS jako najbardziej wszechstronne źródło neutronów na świecie, jeszcze bardziej wzmacniając wiodącą pozycję Europy w nauce o neutronach” — podsumowuje Santoro.
Słowa kluczowe
HighNESS, ESS, zimne neutrony, NNBAR, asymetria materia-antymateria, oscylacja neutronów do antyneutronów, Europejskie Źródło Spalacyjne
