Измерение времени жизни нейтрона методом хранения УХН с регистрацией неупругорассеянных нейтронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Общие сведения о хранении ультрахолодных нейтронов

§ 1. Взаимодействие УХН с веществом

§ 2. Теория хранения УХН в сосудах

§3. Хранение спектра УХН

Выводы к первой главе

Глава II. Описание методики эксперимента

§1. Методика эксперимента для моноэнергетического газа УХН

§2. Методика для реального спектра УХН

Выводы ко второй главе

Глава III. Экспериментальная установка и измерительные процедуры:

§1. Экспериментальная установка

§2. Детекторы

§3. Измерительные процедуры

§4. Зависимости скоростей счета детекторов от времени

§5. Расчет параметров сосудов хранения

Выводы к третьей главе

Глава IV. Методика обработки экспериментальных данных и полученные результаты

§1. Исходные экспериментальные данные и первичная обработка

§2 Определение величин XsM и %ш

§3. Извлечение параметра к из зависимости j{t) на интервале хранения

§4. Влияние потерь в комплексном сосуде в процессе регистрации на конечный результат

Нестабильность свободного нейтрона относительно распада п->р + е + Уе впервые наблюдалась в 1948 году Снеллом и Миллером [1]. Интерес к распаду нейтрона обусловлен тем, что это уникальный случай распада, когда полулептонный процесс не подвержен влиянию нуклонов в ядре и слабое взаимодействие проявляется в чистом виде. Одной из важнейшей характеристик /^-распада является время жизни свободного нейтрона тр, связанное в рамках У-А варианта теории слабого взаимодействия с константами связи и соотношением: где К = ^ ^ | 71455^15) пространственный фактор с те с соответствующими радиационными поправками [2]. Это выражение определяет эллипс в координатах Оа и Ок (рис.1). На этом же графике также отображены значение получаемое из данных по 0+ -»0+ переходам, и прямая Оа/Оу=Х, где величина А, определяется из измерений угловых корреляций продуктов ^-распада нейтрона. Координаты точки пересечения этих кривых (точнее, область пересечения их доверительных интервалов) дают значения констант связи и Ок. аА х ю62 з т3

Рисунок 1. Соотношения между Оа и Ок, полученные из измерений времени жизни нейтрона (эллипс), угловых корреляций (наклонная прямая), 0+ -> 0+ переходов (вертикальная прямая). Данные для рисунка взяты из обзора [3].

Измерения ведутся уже более 40 лет со все возрастающим уровнем точности, и совершенствование методик позволило к середине 90-х годов достичь погрешности измерений порядка 0,3%. Однако, улучшение точности измерений характеристик /?-распада привело к неожиданному для исследователей результату: данные по времени жизни, угловым корреляциям и 0+ —»0+ переходам перестали согласовываться в рамках У-А теории. Наглядно это расхождение представлено на рис.1, где в большем масштабе изображен фрагмент графика, отмеченного прямоугольником.

Видно, что доверительные интервалы линий не образуют области тройного пересечения, причем величина расхождения в ряде случаев превышает 3 стандартных отклонения [3].

Возможной причиной этого расхождения могут быть неучтенные систематические погрешности в экспериментах по измерению тр и X. На это указывает тот факт, что значения тр, полученные независимыми группами, зачастую не согласуются между собой в пределах ошибок измерения. С другой стороны, в работах [4-6] было показано, что расхождение может быть объяснено, если предположить существование примеси (У+А) тока в гамильтониане слабого взаимодействия. Отклонение теории от (У-А) варианта требует при этом введения правого \У-бозона, как переносчика (У+А) взаимодействия. Таким образом, увеличение точности измерения т^ может в значительной степени прояснить ситуацию и помочь сделать выбор между изменениями в теории или поиском экспериментальных неточностей.

В рамках стандартной У-А модели знание времени жизни нейтрона и величины Х = СА/С¥ дает уникальную возможность определения констант связи и Оу только из данных по ^-распаду нейтрона без привлечения ядерных данных. Это дает возможность исключить из рассмотрения вопросы влияния структуры ядра, что является важным при повышении точности измерений.

Значение времени жизни нейтрона используется также в космологии при расчетах отношения количества гелия и водорода в ранней Вселенной, что дает возможность дать оценки на число поколений нейтрино с малыми массами <10МэВ.

До 80-х годов задача измерения тр традиционно решалась пучковым методом. Суть метода заключается в проведении двух независимых абсолютных измерений: измерения количества нейтронов N в фиксированном объеме пучка и измерения количества нейтронных распадов сШ/Ж в нем. Плотность нейтронов в пучке обычно измеряется внесением в него фольги с хорошо известным сечением захвата (Аи, 10В). Регистрация заряженных продуктов распада (протонов или электронов), вылетающих из пучка тепловых нейтронов, дает скорость распадов в нем. Искомое значение времени жизни нейтрона определяется как тр = .

Точность определения времени жизни таким способом ограничивается трудностью выделения рабочего объема пучка, из которого засчитываются продукты распада. Другими источниками систематических ошибок могут быть абсолютные значения эффективностей детекторов нейтронного потока и продуктов распада. Возможности и перспективы пучкового метода детально проанализированы в работе П.Е.Спивака [7].

В настоящее время широкое распространение получил альтернативный метод измерения тр- метод хранения ультрахолодных нейтронов (УХН).

На возможность удержания нейтронов сверхнизких энергий в закрытых сосудах впервые было указано в работе Я.Б.Зельдовича в 1959г.[8]. Это утверждение было основано на том факте, что при скользящем падении на поверхность веществ с положительной длиной когерентного рассеяния нейтроны испытывают полное отражение, если нормальная к поверхности составляющая их скорости не превышает характерного для данного вещества значения, варьирующегося в пределах Угр =0+ 7м/с. Отсюда был сделан вывод, что нейтрон будет отражаться от вещества при любых углах падения, если абсолютное значение его скорости не превышает Уг . Такие нейтроны можно удерживать в закрытом сосуде.

В 1968г. группой Ф.Л.Шапиро было опубликовано сообщение о наблюдении ультрахолодных нейтронов [9,10]. Там же было указано на возможность использования хранения газа УХН для измерения времени жизни свободного нейтрона.

Поскольку УХН при столкновении с поверхностью проникает о вглубь на расстояние порядка длины волны то существует возможность захвата и неупругого рассеяния нейтрона на ядрах вещества. Так как оба этих процесса приводят к исчезновению УХН (в случае неупругого рассеяния УХН превращается в нейтрон тепловой энергии, который, разумеется, храниться не может), то предполагалось создавать сосуды хранения из материалов с малыми сечениями захвата и неупругого рассеяния. Однако, уже первые эксперименты по удержанию УХН [11, 12] показали, что характерное время хранения УХН в 10-100 раз меньше ожидаемого. Создавалось впечатление, что существует "аномальная" утечка нейтронного газа из сосуда, необъясняемая механизмами захвата и неупругого рассеяния. Потребовались длительные исследования, чтобы установить, что основной причиной "аномалии" являются водородосодержащие примеси на поверхности стенок сосуда, обладающие большим сечением неупругого рассеяния. Тем не менее, вопрос о механизме аномалии нельзя считать полностью закрытым. В настоящее время проводятся более тщательные исследования данного эффекта.

Параллельно шла разработка методов и технологий создания "чистых" сосудов для хранения УХН, т.е. сосудов с поверхностью, свободной от загрязнений и малыми потерями по каналам захвата и неупругого рассеяния.

Развитие методик создания "чистых" сосудов для хранения УХН позволило получать практически безводородные поверхности и реализовывать сосуды хранения, в которых вероятность потерь в единицу времени при ударах о стенки сосуда Х} составляет

204-30% от вероятности /?-распада А,р. Практически все эти методики основаны на экранировке поверхностных водородосодержащих примесей слоями веществ с малыми сечениями захвата и неупругого рассеяния.

Первоначально идея эксперимента по измерению времени жизни заключалась в определении времени хранения т УХН в сосуде с очень малыми потерями Х1«Х^. В этом случае тр=т. Однако, в случае реальных сосудов хранения условие Х1 «Х^ не выполняется в рамках требуемой точности 8А,р. Тем не менее, задачу измерения времени жизни можно решить, если измерять время хранения, варьируя вероятность потерь. Поскольку 1/т = 1/тр +Х{, то, экстраполируя Х1 к 0, получаем тр=т. При этом нужно достаточно хорошо разобраться в проблеме хранения, чтобы надежно контролировать вероятность потерь.

Результаты первой работы по измерению времени жизни методом хранения УХН были опубликованы в СССР в 1980г.[13]. УХН со скоростями ~2м/с хранились в алюминиевом сосуде. Вероятность потерь варьировалась введением в сосуд алюминиевых вкладышей известной площади. Полученное значение времени жизни составило 875±95с.

Совершенствование методики в дальнейшем позволило авторам [12] улучшить точность измерения до 1%. Использование сосуда хранения из алюминия с возможностью отжига до 750С с целью очистки сосуда и охлаждения до 80К в процессе измерений позволило уменьшить вероятность потерь до 25% от Напыление слоя льда тяжелой воды на стенки снизило эту величину до 3-4%. Полученное значение времени жизни при использовании алюминиевого сосуда составляет тр =903 ±13 с, а при использовании сосуда со стенками из льда D20- тр=893±20с. Объединение этих двух значений дает тр =900 +11с ([14, 15]).

Появление в середине 80-х годов интенсивных источников УХН в ЛИЯФ (Гатчина, СССР) [16] и ИЛЛ (Гренобль, Франция) [17] позволило сделать качественный скачок в точности измерения тр.

Приблизительно в это же время в печати появилось сообщение о применении безводородного масла для покрытия стенок сосудов хранения [18]. Уникальные свойства этого масла (торговая марка Fomblin Y Vac 18/8), такие как низкий коэффициент потерь, простота нанесения на поверхности, воспроизводимость свойств созданных слоев, обеспечили его широкое применение в физике УХН.

В 1989 году группой В.Мампе были опубликованы результаты измерения времени жизни в сосуде со стенками, покрытыми маслом Fomblin. Движением плотно подогнанного поршня изменялся рабочий объем сосуда, что в свою очередь приводило к изменению вероятности потерь. Значение тр = 887,6±3с. по точности превысило данные пучковых экспериментов [19].

В работе [20] использовалась полая сферическая ловушка из алюминия. Внутренняя поверхность ловушки была покрыта слоем бериллия толщиной 3000-5000А, поверх которого мог напыляться твердый кислород. Охлаждением ловушки до 15К потери подавлялись до 3% от вероятности /?-распада. Конструкция установки позволяла наполнять ловушку УХН с разной энергией, варьируя таким образом вероятность потерь. Значение времени жизни, полученное в [20], составило тр = 888,4±3,3с.

Во всех упомянутых выше экспериментах вариация коэффициента потерь определялась расчетным путем. Это требует не только знания спектра УХН в сосуде, но и корректного доказательства идентичности поверхностей при вариации потерь.

В работе [21], группой сотрудников Лаборатории нейтронных исследований ИАЭ им.И.В.Курчатова была предложена методика измерения времени жизни методом хранения УХН, в которой вероятность потерь контролировалось регистрацией неупруго рассеявшихся нейтронов. В коллаборации с Институтом Лауз-Ланжевена (Гренобль, Франция) была создана установка и проведен эксперимент на высокоинтенсивном источнике УХН в Гренобле. Применение техники регистрации нагретых нейтронов дало достоверную информацию как о степени вариации вероятности потерь в сосуде, так и о поведении спектра УХН при хранении. Результат =882,6 ±2,7 с по точности оказался лучшим в мире [22].

Тем не менее, возможности метода оказались далеко не исчерпанными. Поэтому в 1995году группой сотрудников РНЦ "Курчатовский Институт", в которую входил автор данной диссертации, в коллаборации с сотрудниками ИЛЛ (Франция), Мюнхенского и Тюбингенского университетов (ФРГ), Сассэкского универститета (Великобритания), был проведен второй эксперимент по измерению времени жизни нейтрона методом хранения УХН с регистрацией неупруго рассеянных нейтронов. Полученное значение Тр = 885,4 ± 0,9(стат.) ± 0,4(о/сж) является в настоящее время рекордным по точности. Описанию этого эксперимента и обсуждению полученного результата посвящена настоящая диссертация.

Целью диссертации является прецизионное измерение времени жизни нейтрона, величина которого имеет важное значение в физике слабого взаимодействия и применяется в астрофизических исследованиях.

Достоинство предложенной методики заключается в регистрации неупруго рассеянных нейтронов, дающее возможность экспериментально учитывать потери УХН при ударах о стенки сосуда, минимизируя методические погрешности, свойственные другим экспериментам.

Разработанматематическийаппарат обработки экспериментальных данных, позволяющий учесть методические эффекты деформации спектра хранящихся УХН непосредственно в процессе измерений.

Аннотация диссертационной работы по главам. В первой главе приведены общие сведения о взаимодействии УХН с поверхностью веществ. Изложены основные положения теории хранения моноэнергетического изотропного газа УХН. Рассмотрен процесс хранения спектра ультрахолодных нейтронов в сосуде. Вторая глава посвящена описанию методики измерения времени жизни нейтрона методом хранения УХН. Дан вывод формул для обработки экспериментальных данных.

В третьей главе дано описание экспериментальной установки и функциональное назначение ее основных узлов. Приведены: схема измерительных процедур, характерные значения экспериментальных величин.

Четвертая глава посвящена обработке экспериментальных данных с учетом эффектов деформации спектра хранящихся УХН и потерь нейтронов в процессе регистрации.

Пятая глава содержит описание процедуры введения поправок к конечному результату. Дано итоговое значение величины времени жизни нейтрона. Обсуждается структура статистических и методических погрешностей.

В заключении проведено сравнение величины и точности полученного значения с результатами других экспериментальных групп. Дано представление современных данных по /?-распаду в координатах и .

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Предложен и реализован метод прямого экспериментального определения потерь УХН на стенках сосуда, позволяющий существенно уменьшить величину возможных систематических погрешностей.

2. Разработана и создана экспериментальная установка, работающая на основе предложенного метода.

3. Выполнен эксперимент по измерению времени жизни нейтрона методом хранения УХН с регистрацией неупруго рассеянных нейтронов. Полученный результат является лучшим в мире по точности и составляет (885,4±1,3)с.

4. Разработан математический аппарат обработки экспериментальных данных, позволяющий учесть эффекты деформации спектра УХН.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю В.И. Морозову, по инициативе которого выполнялась эта работа, за постоянную поддержку и внимание, сотрудникам ЛНИ

14

ИОЯФ JI.H. Бондаренко, Ю.Н. Панину, С.С. Арзуманову, С.М. Чернявскому, непосредственно принимавшим участие в создании установки и проведении эксперимента. Большое внимание и содействие на всех этапах эксперимента было уделено директором ИОЯФ академиком С.Т. Беляевым. Автор благодарен П. Гелтенборту за организацию работы источника УХН и помощь при проведении измерений, В.Дрекселу, Г.Юсту, С.Н. Иванову, П. Яиджиеву, персоналу реактора Института Лауэ-Ланжевена за постоянную техническую поддержку, Е.В. Турбину, A.B. Сабельникову, Е.И.Коробкиной - за создание блоков КАМАК и помощь в наладке электроники, механикам ЛИИ 0-53 ИОЯФ за изготовление узлов экспериментальной установки.

Настоящая работа была осуществлена благодаря поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований (грант 93-023927) и фонда INTAS (грант 93-289).

Выводы к пятой главе.

Рассмотрена структура поправок к тр. Приведен окончательный результат эксперимента.

Заключение.

Проведем сравнение полученного в данной диссертации значения времени жизни свободного нейтрона с результатами других измерений. В Таблице 7 сведены данные по измерению тр начиная с

1972г. Жирным текстом выделен результат настоящей диссертации.

1. Snell А.Н., Miller L.C. 1948 Physical Review A74 1217.

2. Wilkinson D.H. Nuclear Physics A 377 (1982), 474-504.

3. Yu.Mostovoi, K.Muchin, O.Patarakin Physics-Uspekhi 39(9) (1996) 925-958

4. Гапонов Ю.В., Шульгина Н.Б. Ядерная физика т.49, вып.5 (1989) 13591362.

5. Гапонов Ю.В., Спивак П.Е., Шульгина Н.Б. Ядерная физика т.52, вып.6(12) (1990) 1653-1660.

6. Erozolimski B.G. Nuclear Instruments and Methods A 284(1) (1989), 89-93

7. Спивак П.Е. ЖЭТФ, т.94, вып.9 (1988) 1-11.

8. Зельдович Я.Б. ЖЭТФ, т.36, вып.6, (1959), с. 1952

9. Лущиков В.И., Покотиловский Ю.Н., Стрелков А.В., Шапиро Ф.Л. Сообщения ОИЯИ РЗ-4127, Дубна, 1968.

10. Лущиков В.И., Покотиловский Ю.Н., Стрелков А.В., Шапиро Ф.Л. Письма в ЖЭТФ, т.9, вып.1, (1969), 140

11. Грошев Л.В., Дворецкий В.Н., Демидов A.M. и др. Сообщения ОИЯИ РЗ-5392, Дубна, 1970.

12. Грошев Л.В., Дворецкий В.Н. и др. Сообщения ОИЯИ РЗ-7282, Дубна, 1973.

13. Косвинцев Ю.Ю. и др. Письма в ЖЭТФ, т.31, вып.4 (1980) с.257-261.

14. Косвинцев Ю.Ю. и др. Письма в ЖЭТФ, т.44, вып.Ю (1986) с.444-446.

15. Morozov V.I. Nuclear Instruments and Methods A 284(1) (1989) 108-110.

16. Алтарев И.С. и др., Письма в ЖЭТФ, т.44, вып.6 (1986) с.269-272.

17. Steyerl A. et al., Physics Letters A v. 116, N7 (1986), 347-352.

18. Bates J. Nuclear Instruments and Methods 216 (1983) 535-536.

19. Mampe W. et al Physical Review Letters v.63, N6 (1989) 593-596.

20. Алфименков В.П. и др. Письма в ЖЭТФ т.52, вып.7 (1990) с.984-989.

21. Бондаренко Л.Н. и др. Препринт ИАЭ-5342/2, Москва 1993

22. Мампе В. и др. Письма в ЖЭТФ т.57, вып.2 (1993) 77-81.

23. Игнатович B.K. Физика ультрахолодных нейтронов. М.: Наука, 1986, 272с.

24. Морозов В.И. Экспериментальные исследования с ультрахолодными нейтронами. Димитровград, НИИАР, 1980, 62с.

25. Морозов В.И. Хранение ультрахолодных нейтронов в замкнутых сосудах. Димитровград, НИИАР, 1982, 76с.

26. A.V. Strelkov et al., Nuclear Instruments and Methods A 440 (2000), 695-703.

27. S.Arzumanov et al., Proceedings of the ISINN-6 Seminar, Dubna, 1998, 108116.

28. C.J. Cristensen et al., Physical Review D, 5 (1975) 1628.

29. M.Arnold, Messung der Lebensdauer freier Neutronen, Dissertation, University of Heidelberg, 1987.

30. Спивак П.Е ЖЭТФ т.67 (1988) 1735

31. J. Last et al., Physical Review Letters v.60 (1988) 995.

32. W. Paul et al., Z. Physik С 45 (1989) 25.

33. R. Kossakowski et al., Nuclear Physics A 503 (1989) 473.

34. J.Byrne et al., Europhysics Letters 33 (1996) 187.

35. A.Pichlmaier, J.Butterworth, P.Geltenbort, H.Nagel, V.Nesvizhevsky, S.Neumaier, K.Shreckenbach, E.Steichele, V.Varlamov Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 440 (2000) 517.

36. Yu. Mostovoy Review of resent experiments in the neutron beta decay, Preprint IAE-6040/2, Moscow, 1997.

37. B.G. Yerozolimsky Free neutron decay: a review of the contemporary situation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 440 (200) 491-498.

38. H. Abele The standart model and the neutron p-decay, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 440 (200) 499-510.

39. Ultracold Neutrons are Magnetically Trapped Neutrons, Physics today, April 2000, 19-20.