超冷中性子実験施設

スパレーション反応で生成した冷中性子を超流動ヘリウムのフォノンを用いて冷却し超冷中性子(UCN)を発生しています。

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概要

数億電子ボルト(数100MeV)の陽子ビームによるスパレーション反応でmeV領域の冷中性子を発生し、超流動ヘリウムのフォノン散乱により100neV領域のUCN(超冷中性子)に変換します。UCN実験で決め手となるUCN密度は、現在世界最高で、それを用いて中性子EDM測定を進めています。また、米国グループの実験にも協力しています。

image004262大阪大学核物理研究センター(RCNP)の実験施設では、390MeV、1μA(390W)の陽子ビームを100秒間、鉛の標的にぶつけ、鉛の原子核を破砕し原子核内から中性子を取り出します。その時、中性子のエネルギーは数MeVであるので、常温の重水内での中性子重水素衝突により、熱エネルギー(数10meV)まで下げ、さらに20K(ケルビン)の重水中で、1meVにまで下げます。そして、1meVの中性子をスーパーサーマル法、つまり0.8 Kの超流動ヘリウム中のフォノン励起で、UCN領域まで下げています。実験ポートとなるUCNバルブでは、重力のためUCNのエネルギーが下がり、最大90neVとなります。2008年、Ec=90neVの実験ポートで、UCN密度15UCN/cm3を実現し、その際のUCN源内のUCN寿命は47秒でした。2011年には、UCN寿命は81秒となりました。陽子ビームを240秒間照射するとUCN密度26UCN/cm3でした。

世界に目を転じると、米国のロスアラモス研究所では、超流動ヘリウムの代わりに5Kの固体重水素を用い、UCN源内のUCN寿命30秒を実現し、3.2kWの陽子ビームを100秒間照射し、Ec=180neVの実験ポートでUCN密度35UCN/cm3を実現しました。UCN密度はEc3/2に比例するので、Ec=90neVのEDM測定容器内に入れると12UCN/cm3となります。また、UCN密度は陽子ビーム出力にも比例します。一方、スイスのポールシェラー研究所は、5Kの固体重水素を用いて、1MWの陽子ビームを8秒間照射し、Ec=250neVのUCN源内で2000UCN/cm3のUCN密度を得ようとしています。Ec=90neVのEDM測定容器に入れるとUCN密度は432UCN/cm3 となります。

image006262国際競争に対応し、RCNPでのUCN源配置を改良して実験ポートへのUCN移送効率2倍、UCN寿命を2倍、陽子ビーム出力を10倍増大し、Ec=90 neVの実験ポートで1000UCN/cm3のUCN密度を実現しようとしています。そして、50倍の陽子ビーム出力が得られるカナダのTRIUMF研究所にUCN源を移設するため、2011年2月にKEK、RCNP、TRIUMF、そしてWinnipegの間でUCN研究の協定書を取り交わしました。

関連する研究グループ

超冷中性子グループ http://fnp.kek.jp/
TRIUMF UCNグループ http://ucn.triumf.ca/

関連する研究施設

大阪大学核物理研究センターRCNP http://www.rcnp.osaka-u.ac.jp/Divisions/np1-a/index.html
TRIUMF http://www.triumf.ca/