Radiația ciclotronică deschide noi posibilități de măsurare a masei neutrinice • Igor Ivanov • Știință pe "Elemente" • Fizică

Radiația ciclotronică deschide noi posibilități de măsurare a masei neutrinice

Fig. 1. Sigla proiectului 8 prezintă procesul de dezintegrare a tritiului beta, în care se naște un electron și un antineutrino. Noua tehnologie de măsurare exactă a energiei electronice va da fizicii o șansă de a măsura masa neutrinilor pentru prima dată. Imagine de la project8.org

Primele rezultate ale experimentului proiectului 8 au demonstrat viabilitatea unei noi tehnici de măsurare a energiei electronilor – în funcție de frecvența radiației ciclotronice. Această metodă funcționează unul câte unul cu electroni nerelativiști și își măsoară energia într-un mod nedistructiv. Pe baza acestei metode, va fi posibilă încercarea de a măsura direct masele de neutrini, care, datorită micșorării lor, nu sunt încă măsurabile.

Măsurători directe ale maselor neutrinice

Neutrinele sunt cele mai capricioase dintre toate particulele elementare cunoscute. Câteva ghicitori sunt legate odată cu ele, despre care au fost deja scrise multe materiale educaționale. Una dintre ele este originea masei neutrinilor, pe care cei mai mulți fizicieni o atribuie noii Fizici noi cunoscute. În general, neutrinii sunt de trei tipuri – electron, muon și tau-neutrino, în conformitate cu perechile cu care se naște lepton. Totuși, această identitate lepton este neclară, în mod condițional.Acest lucru conduce la un fenomen remarcabil de oscilații neutrinice: în cazul în care sa născut un neutrino de electroni într-un anumit proces, după un kilometru de la locul nașterii, poate deveni parțial muonic, iar după un kilometru el își poate restabili identitatea electronică.

Oscilațiile indică faptul că masele de neutrini sunt nenuloase. Mai mult, ei subliniază proprietatea remarcabilă a neutrinilor: "identitatea lor de masă" nu corespunde deloc identității lepton. Un neutrino cu o masă specifică nu este un electron, nu un muon sau un tau neutrino, ci o combinație între ele. În schimb, un neutrino cu o anumită identitate de lepton, de exemplu un neutrino-electron, nu are o masă fixă, ci o combinație de neutrini de diferite mase. Acest lucru pare paradoxal din punct de vedere cotidian, dar este în concordanță cu mecanica cuantică. Putem spune că oscilațiile neutrinilor sunt o scară macroscopică, pe kilometru, ilustrând legile cuantice.

Măsurarea lungimii oscilațiilor ne permite să găsim diferența de masă a neutrinului sau, mai degrabă, diferența dintre pătratele masei. Cu toate acestea, aceste măsurători nu spun nimic în general pe scară largă.Acestea ar trebui să fie situate undeva în regiunea milielectronvolt (meV), dar dacă vor fi unități, zeci sau sute de meV nu sunt cunoscute (figura 2). Este necesar să învățăm aceste mase pentru a înțelege care dintre sutele de modele teoretice ale proprietăților neutrinilor le dau preferință. Acest lucru se poate face numai printr-un experiment – dar de un alt tip, nu oscilant, dar spectroscopicebazată pe măsurarea exactă a energiei electronice în decăderi radioactive.

Fig. 2. Masele tuturor fermionilor modelului standard, organizate în trei generații. Spre deosebire de masele de cuarci și leptoni încărcați, masele de neutrini rămân incerte. Graf de la J. J. Gomez-Cadenas și colab., 2012. Căutarea unei dezintegrare beta dublă neutrinică

Pentru a face acest lucru, ia în considerare atomul de tritiu – izotopul instabil al hidrogenului. Datorită decalării beta, nucleul de tritiu se transformă în trei particule – heliu-3, electron și antineutrino (figura 3). În funcție de modul în care aceste trei particule se aruncă unul lângă celălalt, electronul poate avea energie diferită (de fapt, din cauza faptului că acum 80 de ani a fost suspectată existența neutrinilor). Cea mai mare energie va fi în acele cazuri extrem de improbabile când electronul și neutrinul zboară strict într-o direcție.Și în funcție de faptul dacă neutrinul are masa sau nu, această energie maximă de electroni se va dovedi de asemenea puțin diferită. Prin măsurarea energiei electronilor la marginea spectrului, se poate calcula masa neutrinului.

Fig. 3. Degradarea beta a tritiului la heliu-3, electron și antineutrino. Imagine de la nist.gov

Este ușor de spus, dar greu de făcut. Uitați-vă la pic. 4, unde spectrul de electroni în decăderea de tritiu este arătat și notați cât de nesemnificativă diferență este necesară pentru a fi înregistrată experimental. Nu numai că această regiune – ultima distribuție spectrală electron-volt – reprezintă mai puțin de un triliu din toate decăderile, este de asemenea necesar să se măsoare această energie cu acuratețe sub-electronică a tensiunii. Și aici se află principala problemă: în ciuda mai mult de o jumătate de secol de istorie a măsurătorilor (D. R. Hamilton și colab., 1953. Limitele superioare ale masei neutrinice din spectrul Beta de tritiu), această precizie este încă inaccesibilă. În două experimente recente, în Troitsk (VN Aseev et al., 2011 Limita superioară a experimentului cu electroni) și în Mainz (C. Kraus et al., 2005. Rezultat final din faza a II-a de la Mainz neutrino deși au fost obținute rezultate similare: masa neutrinului nu a putut fi măsurată și a fost stabilită doar limita superioară de circa 2 eV (a se vedea și povestea populară a lui V. Ionov "Căutarea masei de neutrini în experimentele de dezintegrare a tritiului beta").

Fig. 4. Spectrul de electroni în decăderea beta a tritiului: o vedere generală (în stânga) și, în mărire mare, regiunea din apropierea limitei superioare a spectrului. Linii roșii și albastre arată spectrul așteptat pentru cazul unui neutrino sau neutrin masiv cu o masă de 1 eV. Imagine de la katrin.kit.edu

Acest lucru, desigur, este încă foarte mult: la urma urmei, masa de neutrini poate fi cu două sau trei ordine de mărime mai mică. Prin urmare, este necesar să căutăm modalități de a face experimentul mai precis și, în primul rând, de a reduce erorile în măsurarea energiei electronice. Acum se pregătește o lansare a unei instalații uriașe, KATRIN (Fig.5), care în câțiva ani de lucru va permite să reducă această valoare cu un ordin de mărime, la 200 meV. Ea este aproape gata să lucreze și va începe colectarea datelor în 2016. Cu toate acestea, în paralel cu acesta, se dezvoltă și alte proiecte care nu se bazează pe sume uriașe, ci pe idei noi.

Fig. 5. Dimensiuni comparabile ale volumelor de lucru în două experimente viitoare privind tritiumul: experimentul KATRIN (în stânga) și experimentați Proiectul 8 (în dreapta). Fotografii de pe site-urile backreaction.blogspot.com și project8.org

Unul dintre aceste experimente concurente, Proiectul 8, a făcut recent primul pas important înainte. Colaborarea acestui proiect a publicat articolul "Detectarea și spectroscopia cu un singur electron" prin radiația ciclotronică relativistă în jurnal Reviste de examinare fizicăÎn care se raportează despre demonstrarea cu succes a unei noi tehnologii, principala prioritate a acestui experiment este spectroscopia cu ciclotroni a electronilor.

Electron spectrometru ciclotron

Ideea de spectroscopie cu ciclotron pentru măsurarea potențială a maselor neutrinice a fost făcută publică în 2009 (B. Monreal și J.A. Formaggio, 2009). Sarea lui este ceea ce este. De obicei, când nu avem electroni foarte energici, energia lor este măsurată prin simpla absorbție a acestui electron și transformarea energiei sale în ionizare a materiei și a luminii. O astfel de măsurătoare este incomodă deoarece este unică, elimină complet obiectul măsurat. Ce fel de eroare va avea această măsurătoare, va rămâne așa, pentru fiecare electron în parte nu se poate îmbunătăți. Dimpotrivă, metoda spectroscopiei cu ciclotron măsoară energia electronică într-un mod nedistructiv. Astfel, vă permite să repetați măsurarea pe același electron de mai multe ori și astfel să îmbunătățiți în mod dramatic măsurarea preciziei.

Se face astfel. Electronul emis în timpul dezintegrării intră într-un câmp magnetic puternic și se întoarce într-un cerc cu o anumită frecvență (această frecvență se numește ciclotron). În acest proces, acesta emite radiații electromagnetice la această frecvență foarte ciclotronică (pentru experimentele descrise, aceasta se află în domeniul cuptorului cu microunde). Pentru un electron complet non-relativist, frecvența de radiație ciclotronă ω0 determinată numai de câmpul magnetic și nu depinde din energia electronilor. Dacă viteza electronului începe să se apropie de viteza luminii – și viteza electronului de tritiu ajunge deja la un sfert din viteza luminii – frecvența ciclotronă este deja ω (E) = ω0/ γ, unde γ este un factor relativist comun, factorul Lorentz. Ca urmare, frecvența este deja dependentă de energie: cu cât mai multă energie, cu atât frecvența este mai mică. Adevărat, această dependență este destul de lentă, deoarece factorul Lorentz este puțin diferit față de unitate. Cu toate acestea, este. Prin urmare, o măsurare destul de precisă a frecvenței radiațiilor într-un câmp magnetic cunoscut va arăta cât de multă energie are un electron.

O retragere pentru cei care s-au întâlnit deja cu radiații de sincrotron și acum vede ciclotronul pentru prima dată. Ambele sunt radiații ale electronilor care se mișcă într-un câmp magnetic. Diferența este că radiația sincrotronă este emisă de un electron cu energie înaltă pe o întindere scurtă traiectoriile și radiația ciclotronă sunt emise de un electron non-relativist imediat cu toți orbita-cerc. Radiația sincrotronică este un răspuns local de electroni ca răspuns la faptul că sa transformat calea sa; această radiație rupe chiar aici și acum,și unde electronul merge mai departe și dacă traiectoria sa închide, nu contează. Radiația ciclotronică este un efect coerent al întregii traiectorii, este rezultatul unei mișcări periodice a unui electron. Aceasta este de fapt emisia unui foton în timpul tranziției unui electron de la un nivel la altul, dar nu în atom, ci într-un câmp magnetic extern. Se emite imediat în toate direcțiile, astfel încât este convenabil să asamblați și să ieșiți ghidul de undă.

Dacă ideea măsurării energiei electronice din radiația ciclotronică pare simplă, atunci implementarea experimentală este foarte laborioasă. Pe de o parte, intensitatea radiației de la un singur electron este foarte mică: într-un câmp magnetic puternic de 1 Tesla, un electron dă o putere de ordinul unui femto watt. Pe de altă parte, energia unui electron este de asemenea mică și într-o secundă secundă se consumă tot pe radiație. Aceste două condiții impun cerințe serioase asupra senzorului foton cu microunde: trebuie să fie sensibil și în același timp destul de rapid. Dacă semnalul este acumulat prea mult, electronul va pierde o parte semnificativă a energiei, frecvența radiațiilor va "plutește departe" și imaginea întreagă va fi murdară.

Demonstrarea tehnologiei în cadrul experimentului Proiectul 8

Articolul recent publicat în Colaborarea proiectului 8 descrie prima implementare a tehnicii propuse de măsurare a energiei electronice "în bucăți". Pentru acest experiment, a fost folosit kryptonul izomer de lungă durată. 83mKr (timpul de înjumătățire este de aproape două ore). Declinul său (conversia internă) are loc după cum urmează: nucleul emite un gama-quantum, care nu zboară departe, dar este absorbit chiar acolo în interiorul atomului și bate un electron. Spre deosebire de dezintegrarea beta, în cazul în care un electron poate avea energie într-o gamă largă, aici numai un electron zboară din atom, fără neutrini. Energia sa este în mod clar înregistrată de carcasa electronică din care a fost scoasă, astfel încât spectrul electronic este un gard de prăjini de linii individuale.

În experimentul Project 8, o celulă mică (fig.5, dreapta) a fost umplută cu perechi de krypton radioactiv, care a fost obținut ca urmare a ruperii rubidium-83. Celula a fost plasată într-un câmp magnetic uniform de inducție 1 Tesla, iar în centrul său a fost creat suplimentar o capcană magnetică pentru a ține electroni timp de cel puțin câteva milisecunde. "Cercuri de tăiere" într-un câmp magnetic, electronii emise radiații cu microunde la o frecvență de aproximativ 25 GHz, care au fost atribuite unui ghid de undă, au trecut printr-un amplificator radio cu zgomot redus și au fost înregistrate de un senzor sensibil.Întreaga instalație, firește, a fost răcită la temperaturi scăzute – acest lucru este necesar atât pentru magnetul supraconductor, cât și pentru suprimarea zgomotului termic în senzorul de radiație.

În fig. 6 prezintă rezultatul măsurării frecvenței radiației de la un singur electron cu o energie de aproximativ 30 keV în primele milisecunde după plecarea sa de la atom (acest moment corespunde începutului primei benzi). În conformitate cu așteptările, frecvența fotonilor emise treptat a crescut, pe măsură ce electronul a pierdut energia. Senzorul sensibil a acumulat semnalul de la radiație destul de repede, astfel încât driftul de frecvență a fost monitorizat cu o precizie de două milimetri. Din când în când, electronul sa ciocnit cu atomi de gaz și a pierdut o mică parte din energia sa; sari abrupte în fig. 6. Dar acesta este un efect secundar. Principalul lucru este că dungile în sine sunt subțiri și contrastante, ceea ce ne permite să determinăm energia inițială a electronilor cu o precizie bună.

Fig. 6. Frecvența emisiilor radio emise de un singur electron în câmpul magnetic al unei capcane. Prin culoare Distribuția frecvenței puterii radiației detectate este prezentată comparativ cu nivelul de zgomot în fiecare interval de timp de 30 microsecunde. Imagine din articol în discuție Reviste de examinare fizică

După cum se poate observa din figură, până în prezent incertitudinea măsurării frecvenței este de zeci de megahertzi. În ceea ce privește energia electronică, aceasta corespunde unei erori de zeci de eV. Da, este încă un pic prea mult pentru a îmbunătăți limita actuală de masă a neutrinilor. Dar aceasta este doar prima demonstrație a metodei, efectuată într-un volum complet de lucru. Deoarece tehnologia nu necesită instalații gigantice și costuri ridicate, ci se bazează exclusiv pe sensibilitatea senzorului și pe puritatea experimentului, se poate aștepta ca precizia măsurătorilor în viitor să crească semnificativ. Atunci va fi posibilă pornirea tritiului în instalație și încercarea de a "găsi" masa de neutrini. Desigur, KATRIN va fi comandat și va obține rezultatele înainte ca Proiectul 8 să-l depășească în sensibilitate. Cu toate acestea, pe termen lung, proiectul 8, datorită potențialului său tehnic, are șansa de a merge mai departe, până la o adâncime de o milielectronolt.

Fig. 7. Înregistrați citirile unui senzor foto care a înregistrat radiația sincrotronică dintr-un fascicul de electroni care conține doar câțiva electroni.Pașii separați corespund momentelor de injectare și eliminării singure a electronilor. Imagine de la C. Bernardini, 2004. AdA: Primul Collider cu Electron-Positron

În cele din urmă, este interesant să observăm un alt moment. Nu credeți că acesta este primul exemplu de înregistrare cel puțin unii radiații de la un singur electron. Electronii de înaltă energie într-un câmp magnetic strălucesc bine și cu nerăbdare – dar asta sincrotron radiații. Există o astfel de schiță istorică frumoasă. Când coloana AdA a fost construită în Italia în anii 1960 – unul dintre primii agenți de coliziune în general – fizicii au avut sarcina de a urmări intensitatea fasciculului circulant în timp real. Ei au decis să facă acest lucru prin radiația lor sincrotronă. Senzorul a fost instalat, dar a trebuit să fie calibrat – adică pentru a măsura semnalul luminos de la un fascicul de intensitate cunoscută. Deci, această intensitate a fost redusă atât de mult încât doar câțiva electroni au rămas în fascicul, iar în timp au fost eliminați unul câte unul sau, dimpotrivă, au fost injectați în fascicul. Senzorul foto, care a fost comutat în modul de înaltă sensibilitate, a înregistrat perfect profilul luminozității radiației în trepte (figura 7).În special, etapa cea mai de jos corespunde stralucirii sincrotronului dintr-un singur filament care se rotește într-un inel de stocare.

Din nou, în experimentul 8, nu a fost doar radiația înregistrată pentru prima dată, ci radiația ciclotronică de la un singur electron non-relativist. Și trebuie să le acordăm un omagiu experimentatorilor – acest efect este mult mai slab decât radiația sincrotronică.

surse:
1) D. M. Asner și colab. (Proiectul 8 Colaborare). Detectarea cu un singur electron și spectroscopia prin radiație ciclotronică relativistă Reviste de examinare fizică, 114, 162501 (20 aprilie 2015); Articolul este, de asemenea, disponibil în arhiva pre-imprimatelor electronice.
2) P. Huber. Punct de vedere: Radiația ciclotronică de la un electron // fizică 8, 36 (2015).

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

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