Promieniowanie cyklotronowe otwiera nowe możliwości pomiaru masy neutrin • Igor Iwanow • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Fizyka

Promieniowanie cyklotronowe otwiera nowe możliwości pomiaru masy neutrin

Ryc. 1. Logo projektu 8 pokazuje proces rozpadu beta trytu, w którym rodzą się elektron i antyneutrino. Nowa technologia dokładnego pomiaru energii elektronów da fizykom szansę zmierzenia masy neutrin po raz pierwszy. Obraz z project8.org

Pierwsze wyniki eksperymentu Projektu 8 dowiodły żywotności nowej techniki pomiaru energii elektronów – zgodnie z częstotliwością ich promieniowania cyklotronowego. Metoda ta działa z nierelatywistycznymi elektronami jeden po drugim i mierzy ich energię w sposób nieniszczący. W oparciu o tę metodę będzie można spróbować bezpośrednio zmierzyć masy neutrin, które ze względu na swoją małość nadal nie są mierzalne.

Bezpośrednie pomiary masy neutrin

Neutrina są najbardziej kapryśne spośród wszystkich znanych cząstek elementarnych. Z nimi wiąże się kilka zagadek, o których napisano już wiele materiałów edukacyjnych. Jednym z nich jest pochodzenie mas neutrin, które większość fizyków przypisuje do tej pory nieznanej Nowej Fizyki. Ogólnie rzecz biorąc, neutrina są trzech rodzajów – elektronów, mionów i neutrin tau, zgodnie z parą, z którą rodzą się lepton. Jednak ta tożsamość leptonów jest rozmyta, warunkowo mówiąc.Prowadzi to do niezwykłego zjawiska oscylacji neutrin: jeśli w pewnym procesie narodził się neutrino elektronowe, to po kilometrze od miejsca urodzenia może stać się częściowo mioniczny, a po kolejnym kilometrze może ponownie przywrócić swoją elektroniczną tożsamość.

Oscylacje wskazują, że masy neutrin są niezerowe. Co więcej, podkreślają niezwykłą właściwość neutrin: ich "masowa tożsamość" wcale nie odpowiada tożsamości leptonów. Neutrino o określonej masie nie jest elektronowym neutrinem mionowym ani tau, ale pewną ich kombinacją. I odwrotnie, neutrino o pewnej tożsamości leptonowej, na przykład neutrino elektronowe, nie ma ustalonej masy, ale jest kombinacją neutrin o różnych masach. Wydaje się to paradoksalne z codziennego punktu widzenia, ale jest całkiem spójne z mechaniką kwantową. Można powiedzieć, że oscylacje neutrin to makroskopowa, kilometrowa skala, ilustracja praw kwantowych.

Pomiar długości oscylacji pozwala nam znaleźć różnicę masy neutrina, a raczej różnicę kwadratów mas. Jednak te pomiary nic nie mówią ogólne skala masowa.Powinny leżeć gdzieś w regionie millielectronvolt (meV), ale nie wiadomo, czy to będą jednostki, dziesiątki czy setki meV (ryc. 2). Konieczne jest poznanie tych mas, aby zrozumieć, który z setek teoretycznych modeli właściwości neutrin daje pierwszeństwo. Można to zrobić tylko poprzez eksperyment – ale innego rodzaju, a nie oscylacyjne, ale spektroskopowyoparty na dokładnym pomiarze energii elektronów w rozpadach promieniotwórczych.

Ryc. 2 Masy wszystkich fermionów Modelu Standardowego, zorganizowane w trzech pokoleniach. W przeciwieństwie do mas kwarków i naładowanych leptonów masy neutrin wciąż pozostają niepewne. Wykres z J. J. Gomez-Cadenas i wsp., 2012. Poszukiwanie neutrinowego podwójnego rozpadu beta

Aby to zrobić, rozważ atom tryt – niestabilny izotop wodoru. Jądro trytu przekształca się w trzy cząstki w wyniku rozpadu beta – hel-3, elektron i antyneutrino (ryc. 3). W zależności od tego, jak te trzy cząstki oddzielają się od siebie, elektron może mieć inną energię (w rzeczywistości, ponieważ 80 lat temu podejrzewano istnienie neutrin). Największa energia będzie znajdować się w tych wyjątkowo mało prawdopodobnych przypadkach, gdy elektron i neutrino latają ściśle w jednym kierunku.I w zależności od tego, czy neutrino ma masę, czy nie, ta maksymalna energia elektronu również będzie nieco inna. Mierząc energię elektronu na samym skraju widma, można obliczyć masę neutrina.

Ryc. 3 Rozpad beta trytu do helu-3, elektronu i antyneutrino. Zdjęcie z nist.gov

Łatwo powiedzieć, ale trudno to zrobić. Spójrz na zdjęcie. 4, gdzie pokazane jest spektrum elektronów w rozpadzie trytu i odnotować, jak niewielka różnica jest wymagana do eksperymentalnego rejestrowania. Nie tylko ten region – ostatni rozkład spektralny w woltach elektronowych – odpowiada za mniej niż bilionową część wszystkich rozpadów, konieczne jest również zmierzenie tej energii z dokładnością podelektronową. I tu leży główny problem: pomimo ponad pół wieku historii pomiarów (D. R. Hamilton i wsp., 1953. Górne limity masy neutronowej z trytu Beta Spectrum), taka dokładność jest wciąż nieosiągalna. W dwóch ostatnich eksperymentach, w Troitsk (VN Aseev i wsp., 2011. Górna granica eksperymentu elektronowego) i Mainz (C. Kraus et al., 2005. Ostateczny wynik z fazy II neutrina Moguncji masowe poszukiwania rozpadu trytu β), otrzymano podobne wyniki: masy neutrinowej nie można było zmierzyć i ustalono tylko górną granicę około 2 eV (patrz także popularna opowieść V. Ionowa "Poszukiwanie masy neutrin w eksperymentach rozpadu beta trytu").

Ryc. 4 Widmo elektronów w rozpadzie beta trytu: widok ogólny (po lewej) i, w dużym powiększeniu, obszar w pobliżu górnej granicy widma. Niebieskie i czerwone linie pokaż spodziewane spektrum dla przypadku bezmasowego neutrina lub neutrina o masie 1 eV. Zdjęcie z katrin.kit.edu

To, oczywiście, wciąż jest bardzo ważne: w końcu masa neutrin może być o dwa do trzech rzędów wielkości mniejsza. Dlatego konieczne jest poszukiwanie sposobów na dokładniejsze przeprowadzenie eksperymentu, a przede wszystkim zmniejszenie błędów pomiarowych energii elektronowej. Teraz gigantyczna instalacja KATRIN (ryc. 5) przygotowuje się do startu, która w ciągu kilku lat pracy pozwoli zmniejszyć tę wartość o rząd wielkości, do 200 meV. Jest prawie gotowa do pracy i rozpocznie gromadzenie danych w 2016 r. Równocześnie jednak opracowywane są inne projekty, które nie opierają się na wielkich kwotach, ale na nowych pomysłach.

Ryc. 5 Porównawcze rozmiary objętości roboczych w dwóch przyszłych eksperymentach trytu: eksperyment KATRIN (po lewej) i eksperyment Project 8 (po prawej). Zdjęcia z witryn backreaction.blogspot.com i project8.org

Jeden z tych konkurencyjnych eksperymentów, Project 8, zrobił ostatnio pierwszy ważny krok naprzód. We współpracy z tym projektem opublikowano artykuł Wykrywanie pojedynczych elektronów i spektroskopię za pomocą relatywistycznego promieniowania cyklotronowego w dzienniku Physical Review LettersW którym donosi się o udanej demonstracji nowej technologii, główną atrakcją tego eksperymentu jest spektroskopia cyklotronowa elektronów.

Spektroskopia cyklotronowa elektronów

Sam pomysł spektroskopii cyklotronowej na potencjalny pomiar masy neutrin został upubliczniony niedawno, w 2009 r. (B. Monreal i J.A. Formaggio, 2009.). Jego sól jest tym, czym jest. Zwykle, gdy nie mamy bardzo energetycznych elektronów, ich energię mierzy się po prostu pochłaniając ten elektron i zmieniając jego energię w jonizację materii i światła. Taki pomiar jest niewygodny, ponieważ jest pojedynczy, całkowicie eliminuje mierzony obiekt. Jakiego rodzaju błąd ten pomiar będzie miał, tak pozostanie, dla każdego elektronu nie da się go poprawić. Natomiast metoda spektroskopii cyklotronowej mierzy energię elektronową w sposób nieniszczący. Pozwala to wielokrotnie powtarzać pomiar na tym samym elektronie, a tym samym znacznie poprawić dokładność pomiaru.

Jest to zrobione w ten sposób. Elektron emitowany podczas zaniku wchodzi w silne pole magnetyczne i obraca się w kółko z określoną częstotliwością (ta częstotliwość nazywana jest cyklotronem). W procesie tym emituje promieniowanie elektromagnetyczne o tej częstotliwości bardzo cyklotronowej (dla opisanych eksperymentów mieści się w zakresie mikrofalowym). Dla całkowicie nierelatywistycznego elektronu częstotliwość promieniowania ω0 określone tylko przez pole magnetyczne i nie zależy z energii elektronów. Jeśli prędkość elektronu zaczyna zbliżać się do prędkości światła – a prędkość elektronu trytu osiąga już ćwierć prędkości światła – częstotliwość cyklotronu jest już ω (E) = ω0/ γ, gdzie γ jest wspólnym czynnikiem relatywistycznym, czynnikiem Lorentza. W rezultacie częstotliwość jest już zależna od energii: im więcej energii, tym niższa częstotliwość. To prawda, że ​​ta zależność jest raczej powolna, ponieważ czynnik Lorentza tylko nieznacznie różni się od jedności. Niemniej jednak tak jest. Dlatego dość dokładny pomiar częstotliwości promieniowania w znanym polu magnetycznym pokaże, ile energii posiada elektron.

Rekolekcje dla tych, którzy już spotkali się z promieniowaniem synchrotronowym, a teraz po raz pierwszy widzą cyklotron. Oba są promieniowaniem elektronów poruszających się w polu magnetycznym. Różnica polega na tym, że promieniowanie synchrotronowe jest emitowane przez wysokoenergetyczny elektron na krótkim odcinku trajektorie, a promieniowanie cyklotronowe jest emitowane przez nierelatywistyczny elektron natychmiast ze wszystkimi jego orbita. Promieniowanie synchrotronowe jest lokalną reakcją elektronów w odpowiedzi na to, że jej ścieżka się zmieniła; to promieniowanie rozrywa się tu i teraz,i gdzie elektron idzie dalej i jeśli jego trajektoria się zamyka, to nie ma znaczenia. Promieniowanie cyklotronowe jest spójnym efektem całej trajektorii, jest wynikiem okresowego ruchu elektronu. Jest to w rzeczywistości emisja fotonu podczas przejścia elektronu z poziomu na poziom, ale nie w atomie, ale w zewnętrznym polu magnetycznym. Jest emitowany natychmiast we wszystkich kierunkach, dzięki czemu wygodnie jest montować i wyprowadzać falowód.

Jeśli sama idea pomiaru energii elektronów z promieniowania cyklotronowego wydaje się prosta, to jej eksperymentalna realizacja jest bardzo pracochłonna. Z jednej strony natężenie promieniowania z pojedynczego elektronu jest bardzo małe: w silnym polu magnetycznym 1 Tesli, jeden elektron daje moc rzędu wata femto. Z drugiej strony energia elektronu jest również niewielka, a w ułamku sekundy cała energia jest zużywana na promieniowanie. Te dwa warunki stawiają poważny nacisk na czujnik mikrofalowy: musi on być czuły i jednocześnie wystarczająco szybki. Jeśli sygnał zostanie nagromadzony zbyt długo, elektron straci znaczną część energii, częstotliwość promieniowania "odpłynie", a cały obraz będzie rozmazany.

Demonstracja technologii w eksperymencie Projekt 8

Niedawny artykuł projektu współpracy 8 opisuje pierwszą implementację proponowanej techniki "cząstkowych" pomiarów energii elektronowej. Do tego eksperymentu zastosowano długożyciowy krypton izomerowy. 83mKr (okres półtrwania wynosi prawie dwie godziny). Jego rozpad (konwersja wewnętrzna) przebiega w następujący sposób: jądro emituje gamma-kwant, który nie odlatuje, ale jest absorbowany bezpośrednio w atomie i wybija elektron. W przeciwieństwie do rozpadu beta, gdzie elektron może mieć energię w szerokim zakresie, tutaj tylko jeden elektron wylatuje z atomu, bez neutrin. Jego energia jest wyraźnie rejestrowana przez powłokę elektronową, z której została znokautowana, więc widmo elektroniczne jest linią pikietową poszczególnych linii.

W eksperymencie projektu 8, mała komórka (ryc. 5, po prawej) została wypełniona parami radioaktywnego kryptonu, który został uzyskany w wyniku rozkładu rubidu-83. Komórka została umieszczona w jednolitym polu magnetycznym indukcji 1 Tesli, a w jej środku została dodatkowo utworzona pułapka magnetyczna do przechowywania elektronów przez co najmniej kilka milisekund. "Kręgi cięcia" w polu magnetycznym, elektrony emitowały promieniowanie mikrofalowe o częstotliwości około 25 GHz, które zostało przypisane do falowodu, przeszły przez niskoszumowy wzmacniacz radiowy i zostały zarejestrowane przez wrażliwy czujnik.Cała instalacja została naturalnie schłodzona do niskich temperatur – jest to konieczne zarówno dla magnesu nadprzewodzącego, jak i dla tłumienia szumów cieplnych w czujniku promieniowania.

Na rys. 6 przedstawia wynik pomiaru częstotliwości promieniowania z pojedynczego elektronu o energii około 30 keV podczas pierwszych milisekund po jego odejściu z atomu (ten moment odpowiada początkowi pierwszego paska). Zgodnie z oczekiwaniami częstotliwość wysyłanych fotonów stopniowo wzrastała wraz z utratą energii przez elektron. Czuły czujnik gromadził dość szybko sygnał z promieniowania, więc dryf częstotliwości był monitorowany z dokładnością submillisecond. Od czasu do czasu elektron jednak zderzył się z atomami gazu i stracił niewielką część swojej energii; gwałtowne skoki na ryc. 6. Ale jest to efekt uboczny. Najważniejsze jest to, że same pasy są cienkie i kontrastujące, co pozwala nam określić początkową energię elektronów z dobrą dokładnością.

Ryc. 6 Częstotliwość emisji radiowej emitowanej przez pojedynczy elektron w polu magnetycznym pułapki. Według koloru Rozkład częstotliwości wykrywanej mocy promieniowania jest pokazany w porównaniu z poziomem hałasu w każdym 30-mikrosekundowym odstępie czasu. Obraz z artykułu w dyskusji Physical Review Letters

Jak widać na rysunku, do tej pory niepewność pomiaru częstotliwości wynosi dziesiąte części megaherca. Pod względem energii elektronów odpowiada to błędowi dziesiątek eV. Tak, wciąż jest trochę za dużo, aby poprawić obecny limit masy neutrin. Ale to dopiero pierwsza demonstracja metody, przeprowadzona w całkowicie niewielkiej objętości roboczej. Ponieważ technologia nie wymaga dużych instalacji i wysokich kosztów, ale zależy wyłącznie od czułości czujnika i czystości eksperymentu, można oczekiwać, że dokładność pomiarów w przyszłości znacznie wzrośnie. Wtedy będzie można uruchomić tryt w instalacji i spróbować "znaleźć" masę neutrin. Oczywiście KATRIN zostanie oddany do użytku i otrzyma wyniki, zanim projekt 8 prześciga go w czułości. Jednak w dłuższej perspektywie, to Projekt 8, który ze względu na swój potencjał techniczny ma szansę pójść jeszcze dalej, na głębokość zakresu napięcia milili elektronowego.

Ryc. 7 Zapisz odczyty czujnika foto, który zarejestrował promieniowanie synchrotronowe z wiązki elektronów zawierającej tylko kilka elektronów.Oddzielne kroki odpowiadają chwilom wstrzyknięcia i eliminacji pojedynczych elektronów. Obraz z C. Bernardini, 2004. AdA: Pierwszy zderzacz elektronowo-pozytonowy

Na koniec warto zauważyć inny moment. Nie sądzę, że jest to pierwszy przykład rejestracji przynajmniej niektóre promieniowanie z pojedynczego elektronu. Wysokoenergetyczne elektrony w polu magnetycznym świecą dobrze i chętnie – ale to synchrotron promieniowanie Jest taki ładny szkic historyczny. Kiedy zderzacz AdA został zbudowany we Włoszech w latach 60. XX wieku – jeden z pierwszych zderzaczy w ogóle – fizycy mieli za zadanie śledzenie natężenia wiązki w czasie rzeczywistym. Zdecydowali się na to poprzez swoje promieniowanie synchrotronowe. Czujnik został zainstalowany, ale musiał zostać skalibrowany – to znaczy zmierzyć sygnał świetlny z wiązki o znanej intensywności. Tak więc, natężenie to zostało zredukowane do tego stopnia, że ​​tylko kilka elektronów pozostało w wiązce i z czasem jedno po drugim zostały wyeliminowane lub, przeciwnie, wstrzyknięte do wiązki. Czujnik foto, który został przełączony w tryb wysokiej czułości, doskonale zarejestrował profil jasności promieniowania schodkowego (Ryc. 7).W szczególności, najniższy etap odpowiadał jarzeniowi synchrotronowemu z wirowania pojedynczego elektronu w pierścieniu akumulacyjnym.

Tak więc, powtarzamy ponownie, w eksperymencie Project 8, nie tylko promieniowanie zostało wykryte po raz pierwszy, ale promieniowanie cyklotronowe z pojedynczego nierelatywistycznego elektronu. I musimy oddać hołd eksperymentatorom – ten efekt jest znacznie słabszy niż promieniowanie synchrotronowe.

Źródła:
1) D.M. Asner i in. (Projekt 8 współpracy). Wykrywanie pojedynczego elektronu i spektroskopia przez relatywistyczne promieniowanie cyklotronowe // Physical Review Letters114, 162501 (20 kwietnia 2015 r.); Artykuł dostępny jest również w archiwum elektronicznych preprintów.
2) P. Huber. Punkt widzenia: Promieniowanie cyklotronowe z jednego elektronu // Fizyka 8, 36 (2015).

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: