Rotating Magnetic Gravitational Trap for Storing Ultracold Neutrons

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper proposes an experiment to measure the neutron lifetime by storing ultracold neutrons in a rotating magnetic trap. The magnetic trap is a set of NdFeB permanent magnets. By rotating the trap around a horizontal axis, it is possible to carry out gravitational capture of ultracold neutrons and their holding. A design option is presented when two traps are located in one installation on the same axis: material and magnetic. The sensitivity of the magnetic trap was assessed in comparison with the material one under equal measurement conditions. One of the factors influencing the systematic error of the experiment will be the process of neutron depolarization in a magnetic field. Therefore, the paper considers the issue of developing a magnetic system that minimizes the probability of neutron depolarization. The so-called turbine effect is also considered, which can manifest itself in a change in the energy of ultracold neutrons during rotation due to interaction with the flat faces of the trap. The proposed gravitational capture of ultracold neutrons in a magnetic trap is a fundamentally new approach that has never been implemented before. The experiment can be carried out on the ultracold neutron source under construction at the PIK reactor.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. P. Serebrov

National Research Centre “Kurchatov Institute” — Petersburg Institute of Nuclear Research

Author for correspondence.
Email: serebrov_ap@pnpi.nrcki.ru
Russian Federation, Gatchina, 188300

A. K. Fomin

National Research Centre “Kurchatov Institute” — Petersburg Institute of Nuclear Research

Email: serebrov_ap@pnpi.nrcki.ru
Russian Federation, Gatchina, 188300

G. N. Klyushnikov

National Research Centre “Kurchatov Institute” — Petersburg Institute of Nuclear Research

Email: serebrov_ap@pnpi.nrcki.ru
Russian Federation, Gatchina, 188300

A. O. Koptyukhov

National Research Centre “Kurchatov Institute” — Petersburg Institute of Nuclear Research

Email: serebrov_ap@pnpi.nrcki.ru
Russian Federation, Gatchina, 188300

A. N. Murashkin

National Research Centre “Kurchatov Institute” — Petersburg Institute of Nuclear Research

Email: serebrov_ap@pnpi.nrcki.ru
Russian Federation, Gatchina, 188300

References

  1. Serebrov A.P., Fomin A.K. // Physics Procedia. 2011. V. 17. P. 199. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.06.037
  2. Serebrov A.P. // Physics-Uspekhi. 2019. V. 62. P. 596. https://doi.org/10.3367/UFNe.2018.11.038475
  3. Workman R.L., Burkert V.D., Crede V., Klempt E., Thoma U., Tiator L., Agashe K., Aielli G., Allanach B.C., Amsler C., Antonelli M., Aschenauer E.C., Asner D.M., Baer H., Banerjee S., Barnett R.M., Baudis L., Bauer C.W., Beatty J.J., Belousov V.I., Beringer J., Bettini A., Biebel O. et al // Prog. Theor. Exp. Phys. 2022. V. 2022. P. 083C01. https://doi.org/10.1093/ptep/ptac097
  4. Serebrov A., Varlamov V., Kharitonov A., Fomin A., Pokotilovski Yu., Geltenbort P., Butterworth J., Krasnoschekova I., Lasakov M., Tal’daev R., Vassiljev A., Zherebtsov O. // Phys. Lett. B. 2005. V. 605. P. 72. https://doi.org/10.1016/j.physletb.2004.11.013
  5. Serebrov A.P., Varlamov V.E., Kharitonov A.G., Fomin A.K., Pokotilovski Yu.N., Geltenbort P., Krasnoschekova I.A., Lasakov M.S., Taldaev R.R., Vassiljev A.V., Zherebtsov O.M. // Phys. Rev. C. 2008. V. 78. P. 035505. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.78.035505
  6. Serebrov A.P., Kolomensky E.A., Fomin A.K., Krasnoshchekova I.A., Vassiljev A.V., Prudnikov D.M., Shoka I.V., Chechkin A.V., Chaikovskiy M.E., Varlamov V.E., Ivanov S.N., Pirozhkov A.N., Geltenbort P., Zimmer O., Jenke T., Van der Grinten M., Tucker M. // JETP Lett. 2017. V. 106. P. 623. https://doi.org/10.1134/S0021364017220143
  7. Serebrov A.P., Kolomensky E.A., Fomin A.K., Krasnoshchekova I.A., Vassiljev A.V., Prudnikov D.M., Shoka I.V., Chechkin A.V., Chaikovskiy M.E., Varlamov V.E., Ivanov S.N., Pirozhkov A.N., Geltenbort P., Zimmer O., Jenke T., Van der Grinten M., Tucker M. // Phys. Rev. C. 2018. V. 97. P. 055503. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.97.055503
  8. Ezhov V.F., Bazarov B.A., Geltenbort P., Kovrizhnykh N.A., Krygin G.B., Ryabov V.L., Serebrov A.P. // Tech. Phys. Lett. 2001. V. 27. P. 1055. https://doi.org/10.1134/1.1432348
  9. Ezhov V.F., Andreev A.Z., Glushkov A.A., Glushkov A.G., Groshev M.N., Knyazkov V.A., Krygin G.B., Ryabov V.L., Serebrov A.P., Bazarov B.A., Geltenbort P., Hartman F.J., Paul S., Picker R., Zimmer O., Kovrizhnykh N.A. // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 2005. V. 110. P. 345. https://doi.org/10.6028/jres.110.051
  10. Ezhov V.F., Andreev A.Z., Ban G., Bazarov B.A., Geltenbort P., Hartman F.J., Glushkov A.G., Groshev M.G., Knyazkov V.A., Kovrizhnykh N.A., Naviliat-Cuncic O., Krygin G.B., Mueller A., Paul S., Picker R., Ryabov V.L., Serebrov A., Zimmer O. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2009. V. 611. P. 167. https://doi.org/10.1016/j.nima.2009.07.071
  11. Ezhov V.F., Andreev A.Z., Ban G., Bazarov B.A., Geltenbort P., Glushkov A.G., Knyazkov V.A., Kovrizhnykh N.A., Krygin G.B., Naviliat-Cuncic O., Ryabov V.L. // JETP Lett. 2018. V. 107. P. 671. https://doi.org/10.1134/S0021364018110024
  12. Walstrom P.L., Bowman J.D., Penttila S.I., Morris C., Saunders A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2009. V. 599. P. 82. https://doi.org/10.1016/j.nima.2008.11.010
  13. Salvat D.J., Adamek E.R., Barlow D., Bowman J.D., Broussard L.J., Callahan N.B., Clayton S.M., Cude-Woods C., Currie S., Dees E.B., Fox W., Geltenbort P., Hickerson K.P., Holley A.T., Liu C.-Y., Makela M., Medina J., Morley D.J., Morris C.L., Penttila S.I., Ramsey J., Saunders A., Seestrom S.J., Sharapov E.I., Sjue S.K.L., Slaughter B.A., Vanderwerp J., VornDick B., Walstrom P.L., Wang Z., Womack T.L., Young A.R. // Phys. Rev. C. 2014. V. 89. P. 052501. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.89.052501
  14. Pattie R.W., Callahan N.B., Cude-Woods C., Adamek E.R., Broussard L.J., Clayton S.M., Currie S.A., Dees E.B., Ding X., Engel E.M., Fellers D.E., Fox W., Geltenbort P., Hickerson K.P., Hoffbauer M.A., Holley A.T., Komives A., Liu C.-Y., MacDonald S.W.T., Makela M., Morris C.L., Ortiz J.D., Ramsey J., Salvat D.J., Saunders A., Seestrom S.J., Sharapov E.I., Sjue S.K., Tang Z., Vanderwerp J., Vogelaar B., Walstrom P.L., Wang Z., Wei W., Weaver H.L., Wexler J.W., Womack T.L., Young A.R., Zeck B.A. // Science. 2018. V. 360. P. 627. https://doi.org/10.1126/science.aan8895
  15. Gonzalez F.M., Fries E.M., Cude-Woods C., Bailey T., Blatnik M., Broussard L.J., Callahan N.B., Choi J.H., Clayton S.M., Currie S.A., Dawid M., Dees E.B., Filippone B.W., Fox W., Geltenbort P., George E., Hayen L., Hickerson K.P., Hoffbauer M.A., Hoffman K., Holley A.T., Ito T.M., Komives A., Liu C.-Y., Makela M., Morris C.L., Musedinovic R., O’Shaughnessy C., Pattie R.W., Jr., Ramsey J., Salvat D.J., Saunders V, Sharapov E.I., Slutsky S., Su V., Sun X., Swank C., Tang Z., Uhrich W., Vanderwerp J., Walstrom P., Wang Z., Wei W., Young A.R. // Phys. Rev. Lett. 2021. V. 127. P. 162501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.162501
  16. Serebrov A.P., Fomin A.K., Kharitonov A.G., Varlamov V.E., Chechkin A.V. // Tech. Phys. 2013. V. 58. P. 1681. https://doi.org/10.1134/S1063784213110224
  17. Klyushnikov G.N., Serebrov A.P. // JETP. 2023. V. 137. P. 316. https://doi.org/10.1134/S1063776123090054
  18. Kovalchuk M.V., Voronin V.V., Grigoriev S.V., Serebrov A.P. // Cryst. Rep. 2021. V. 66. P. 195. https://doi.org/10.1134/S1063774521020061
  19. Fomin A.K., Serebrov A.P. // J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron Neutron Tech. 2022. V. 16. P. 1012. https://doi.org/10.1134/S1027451022060088
  20. Materne S., Picker R., Altarev I., Angerer H., Franke B., Gutsmiedl E., Hartmann F.J., Müller A.R., Paul S., Stoepler R. // Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. A. 2009. V. 611. P. 176. https://doi.org/10.1016/j.nima.2009.07.055
  21. Leung K.K.H., Geltenbort P., Ivanov S., Rosenau F., Zimmer O. // Phys. Rev. C. 2016. V. 94. P. 045502. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.94.045502
  22. Bazarov B.A., Ezhov V.F., Kovrizhnykh N.A., Ryabov V.L., Andreev A.Z., Glushkov A.G., Knyaz’kov V.A., Krygin G.B. // Tech. Phys. Lett. 2016. V. 42. P. 663. https://doi.org/10.1134/S1063785016070038
  23. Roß K.U., Towards a High Precision Measurement of the Free Neutron Lifetime with tauSPECT. Ph.D. thesis, Mainz: Johannes Gutenberg Universität. 2021. http://doi.org/10.25358/openscience-6540

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of a universal UHF storage trap.

Download (82KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Installation diagram with a universal UHF trap. The top and bottom additionally show the material and magnetic traps placed outside the installation.

Download (224KB)
Indexing metadata
4. 3. Comparison of two magnetic assembly schemes: the Halbach magnetic circuit (top) and the reverse arrangement of magnets (bottom). The arrows show the direction of magnetization.

Download (114KB)
Indexing metadata
5. 4. Magnetic field induction at a height of h = 0.5 mm from the surface of the magnets in the Halbach magnetic circuit (dotted line) and with a reversible arrangement of magnets (solid).

Download (82KB)
Indexing metadata
6. 5. The ratio of the field induction gradient to the field induction value at a height of h = 0.5 mm from the surface of the magnets of magnets in the Halbach magnetic circuit (dotted line) and with a reversible arrangement of magnets (solid).

Download (107KB)
Indexing metadata
7. 6. Relative accuracy of measuring the lifetime of a neutron using a material trap, depending on the number of inserts. The dotted line shows the accuracy of the measurement with a magnetic trap under similar conditions.

Download (50KB)
Indexing metadata
8. 7. The probabilities of depolarization of the UHF as a function of time, calculated using classical (1), quantum mechanical (2) and approximate (3) methods.

Download (82KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».