Поиск квазимагнитного взаимодействия электронов в эксперименте с использованием сквида тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им.Б.П.КОНСТАНТИНОВА

ПОИЖ КВАЗИМАГНИТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКВВДА

(01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ЛАСАКОВ Михаил Сергеевич

УДК 539.12.01

Санкт-Петербург

1992

Гийота вшолшша и Петербургском институте ядерний физики им.Б.П.Констинтшюва РАН.

Официильнш огшоненти:

доктор фшз.-мат.наук, профессор А.А.Ансельм. киндидит Физ.-мат. наук П.В.Воробьев.

Научный руководитель:

доктор фаз.-мат.наук А.П.Серэбрэв

Ведущая организация ■ Объединении;! институт ядерные

исследований (1*.Дубна Московской обл.)

Занята диссертации состоится /¿^с^елб^ 1992 г.

и часов на заседании специализированного совета по защите

докторских диссертаций при Петербургском институте ядерной физики им.Б.Н.Константшюва РАН по адресу:

188350, Ленинградская область, г.Гатчина, Орлова роща, ПИЯ<1>. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПШФ.РАН,

Автореферат разослан ^

УчениЯ секретарь специализированного совоти, доктор физлко-математических наук

А.Н.Москалев

Актуальность проблемы. Ряд теоретических моделей (суперсим-1тричТше теории, "техшаддот", мололи Великого объединения) указы-ют на возможность существования фг.гзических безмассоьих или очень итак частиц. Они весьма интересны с экспериментальной точки зре-[я, поскольку могут бить обнаружены б экспериментах лабораторного юштаба. Наиболее полное исследование таких моделой представлено работах А.А.\нсельма и Н.Г.Уральцева.

Основная цель работы состоит в поиске ¡свазимагнитпого (арион-

1Г0) взаимодействия между электронами. Метод поиска основан на пользовании массивного форромапштного экрана в качество . источ-ка искомого поля и сквид-магнитометра в паре с ферромагнитным ядом в качество его детектора.

Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть

¡пользованы при развитии моделей с большим числом хиггсовских 1сткц по сравнению с простейшим вариантом стандартной модели.

Автор защищает результаты.

1. Создана экспериментальная установка для поиска квазимаг-[■гного взаимодействия электронов.

Достигнут коэффициент экранирования магнитного поля "1014 установлено, что на этом уровне энергия взаимодействия поляризо-1шшх электронов не имеет каких-либо "квазимагнитшх" добавок, [л константы арионного взаимодействия'электронов установлено ог-иичонио,в пять рэз более жесткое имевшегося ранео:

х| < 2.10-4.

2. Разработана методика расчета рвботы сквида в паре с ферро-пштшм зондом. Реализована схема, позволяющая болев чем на по док увеличить чувствительность сквид-мапгатометра в однородном 'ле.

3. Разработан проект эксперимента, который позволит повысить вствитвлыюсть примерно на два порядка.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введении,

1ти глав, заключения, списка лтепатуры (50 страниц, 17 рисунков, таблица).

bu введении сформулирована задача эксперимента и описаш

структура дяс со рта циошгой работы.

Нарвал глава посвящена изложению теоретических предносило}

эксперимента и общим принципам aro построения. Различные теоретические мочели приводят к существованию псевдоскалярной безмассово!

стабильной частицы - эриона. Обмен арионом между двумя фермионами í t и а., прш)одат к потенциалу:

V(r) - -x^.x^.-g^-.p :3,.Э2 -3(0., •n)(og-ñ)]> (1)

гдо Ö.J Д - спиновые матрицы Паули, fi г/г. Это взаимодействие с точностью до знака эквивалентно взаимодействию спиновых магнит-

•I /о

них моментов с "магнетоном" Xj.(Gj,/8n v?) . Источником арионногс поля так же,как и магнитного, служат ориентированные егшны. Основ ное отличив состоит в том, что арионное поле не связано с движущимися электрическими зарядами. Именно это и позволяет разделить в эксперименте арионное и магнитное поля.

Таким образом, в наиболео простом виде задача лабораторногс эксперимента состоит, во-первых, в том, чтобы создать систему поляризованных спинов, во-вторых, скомпенсировать или заэкранировав магнитное поле этих спилов электрическими токами до необходимого уровня и, в третьих, попытаться обнаружить "спиновым" детекторол наличие квазимагтшгого поля в экранированной области. Под "спиновым" детектором подразумеваем любую магнитометрическую систему, основанную но взаимодействии спинов частиц с измеряемым полем. Результат такого аксhüремонта можно представить в виде отношенш №/Bq, гдо BQ - величина магнитного поля системы поляризовеннш спинов, заэкранированного токами, ¿B - отклонение поля, измерешюЕ "спиновым" детектором в экра1шровашюй области при переключенш арионного поля. Если достигнута достаточная эффективность экранирования, то это отношение пропорционально константе арионного

взаимодействия Х.-Х, . Для электронов, например,:

В0 е 2хУ2а е

В качестве источника ариошюго поля нрощи всего использовиГ!, либо постоянный магнит, либо намагниченный форромягнетик.

Для детектирования apHoinioro ноля так же, кик к дан его еоз дания, требуется система спинов. Простейшая схема эксперимента за (сличается в том, чтобы,переориентируя спины в источнике, т.е. пь реклзочая знак ариошюго поля, питаться обнаружить рпакцига на это переключение спиновой системы детектора. Для детектирования могут бить использованы как поляризованные системы, например, пучки по ляризованных частиц, так и неполяризовашшо, например, ферромагнитные зонды.

Во второй главе представлен обзор экспериментальных ограничений на существование ариошюго взаимодействия.

В лабораторных условиях наиболее жесткие ограничения на яри

энное взаимодействие электронов и кварков получены в эксперименте

ю исследованию прецессии ядерных сгашов изотопов ртути: |х х |

-3 '

с2,5 • 10 (Александров Е.Б., Ансельм A.A., Умарходжаев P.M.), и в

эксперименте по сравнению отношений члстот прецессии Р и В в НМР-

_ О

:поктромотрэх со сверхпроводящим и жолозним малиггами: |х г |<JQ '

е Н

(Ансельм A.A., Неронов Ю.И.). Для ариошюго взаимодействия элект-эонов наиболее жосткое ограничение было получено в работе с ис

о

юльзованием сквид магнитометра: xQ <10 (Воробьев П.В., Гитарц 1.И.).

Третья глава посвящена в основном анализу работы сквида в па

зо с ферромагнитным зондом, который служил в нашем эксперименте п сачвстве детектора искомого взаимодействия.

Схема эксперимента, который был нами осуществлен, показана но зис.1. В качестве источника ариошюго поля использовался массивныи Ьерромагштный экран, который- перемагничивался при поргключенин !вэрхпроводяиего соленоида. Детектором служил ферромагнитный crop-:онь в сверхпроводящем экране, который размещался но оси источника, юзможно ближо к его торцу.

Ариошюе поле вызывает поляризацию электронов в itnppoManmv-юм сторжно. При этом в ном возникает мапгтшй поток. Обменпоо ««имодейстсио приводит к тому, что магнитный вот к усиливается

Ш"

ЗВЫ КАНАК

7 8'

9/-

13

Не

о

к соленоиду

5

Не

______Г

10

11

12

Рис.1.

1 - магнитометр, 2 - вольтметр, 0 - элактромаишнный усилитель, 4 - шуцт, 5- калибровочная катушка, б- датчик Холла,7 - ферромагнитный стержень, 8 - трансформатор потока, 9 - циммерманов-ский сквид, 10 - свинцовый экран. 11 - иноСиевый экран, 12 -- ферромагнитный экран, 13 - сверхпроводник соленоид.

гропорционалыго эффективной магнитной восприимчивости стержня. Ни, кЗолее точно контролировать магнитный поток и стержне можно при юмощи скввда, причем можно строить измерительную цепь по раолич-шм схемам. 0дш1 из вариантов показан на рис.1. В этом случае мпг штшй поток передается в датчик при помощи' трансформатора потоки. 1ругая возможность состоит в том, чтобы поместить зонд непосредст зенно в одно лз отверстий циммермановского сквида. Анализ работы зквид-мапштометра в паре с ферромагнитным зочдом показал, что из * лоритолышй ток, возникающий в датчике (или в трансформаторе ното-са), оказывает значительное размагничивающее воздействие на зонд и 1риводит вследствие этого к снижении чувствительности схемы. Размагничивающее действие оказалось существенно меньше в схеме с трансформатором потока. На основе полученшх тюзулътатов била произведена оптимизация измерительной схож.

Четвертая глава посвящена проблеме экранирования магнитного

юля соленоида и питающей системы.

На рис.2 показана схема управления током сверхпроводящего золеноида. Для ого питания мы использовали элвктромашинный усили-гель. Он обладает достаточной моидаостью (11 кВт) для "перезарядки" з необходимой частотой сверхпроводящего соленоида и позволяет лег ш получить требуемую форму тока. Для управления влектромашшшым /силителем был изготовлен в стзвдартэ КАМАК блок управления. Напряжение по программе ЭВМ с блока ЦАЛ подавалось на блок управления, который питал обмотку возбуждения усилителя. Изменению управ-цяющего тока в пределах ±50 тА соответствовало измененио выходного гока усилителя ±20А. Для стабилизации нуля электромашинного усилителя в цепь нагрузки было включено сопротивление обратной связи, напряженно с которого подавалось на блок управления.

Рассмотрим задачу экранирования детектора. Ее удобно разделить на две части: экранирование магнитного поля сверхпроводящего золеноида, экранирование и минимизация магнитного поля токоиодно цящой системы. Результатом эксперимента, как ужо говорилось ранее, является измерение отношения АВ/В0 в экранированной области. Та {им образом, необходимо создать максимально возможное В0 и при этом суметь подавить его до уровня, меньшего ЛВ, т.е. для кс:.ф[!и -щенга экранирования магнитного поля соленоиде должно гыполннтьсл

Рис. 2. Схеме электропитания сверхпроводящего соленоида. I - источник вриокного поля; 2 - детектор; 3 - токоввод; 4 - коаксиальный кабель; 5 - скрученная парг; 6 - сопротивление обратной связи; 7 - перыаллоевый экрэк; 8 - блок управления; 9 - Ц.АЛ; 10 - гЭлектроника-60".

в0

эотношение К >-££■. В ношэм эксперименте (рис.1) коэффициент эк-

анировашм можно представить как произведение трех коэффициентов: = Хф'К^*^, где Кф - коэффициент экранирования ферромагнитного

крана, Кд- коэффициент экранирования шобиевого экрана, К - коэф-лционт экранирования свинцовых экранов. Каждый из этих коэффици-

!1тов бил измерен: КфЯО2; К^ 105; Кс» 108. Итого: К > 1015. Сле-

-1 в

эвательно, поиск эффекта можно производить до уровня АВ/Во~10 .

иссеяннов магнитное поле токоподводящей и питающей системы экра-

ируется свинцовыми экранами. Для него в области детектора должно'

^подняться соотношение: ДВП < АВ-К„. Рассеянное поле складывается

р с

основном из шля токовводя, проходящего в криостате на расстоя-11И «18 см от детектора, а также из поля, создаваемого узлом, где цепь нагрузки включены сопротивление обратной связи и шунт. Блок [гравлеши; и электромэшшлшй усилитель не создавали существенных ^лей в с власти расположения детектора, поскольку, как это поквза-э на суамд, бит удалены от крирстата. Токоввод представлял из ^бя скрученную пару, составленную из трех частей. Верхняя и. ниж-«я части были изготовлены из медного провода диаметром 1,2 мм, а реднян часть, расположенная наиболее близко к детектору, - из про-эда диаметром 0,2 мм. Такая конструкция позволила, с одной сторо-а, уменьшить рассеянное поле скрученной пары, а с другой стороны, з вызвать слишком большого подкипония гелия из-за нагрева токовода .

Магнитное поле, создаваемое контуром: сопротивление обратной вязи - измерительный шунт, было заэкранировано однослойным пер-аллоовым экраном. Контроль рассеянного поля был производэн ¡сван-шым магнитометром на оптической накачке при закороченном тоководе .

Было получено при токе ~15 А (В0~ 200 Э) ДВ,Г< 10~б Э. При та-

о

эм рассеянном поле и коэфициенге экранирования Кс « 10 поиск эф— 1 А

акта можно производить .до уровня ДЕ 'В0~ 10 .

В пятой главе описана процедура измерения и обработки данных,

риведен результат эксперимента. Рассмотрены перспективы повышения увствитольности эксперимента в рамках исследованной методики.

Блок-схема экспериментальной установки показана на рис. 1. В режиме измерения установка работала следующим образом. По програм ме ЭВМ с электронного модуля подается ток на управляющую обмотк электромашинного усилителя, "оторый питает сверхпроводящий солено ид. Магнитное полз соленоида контролируется датчиком Холла. Ток текущий в цепи соленоида, контролируется по напряжению на измери тельном шунте. Как это обычно принято, для подавления вклада о медленного дрейфа смена полярности тока осуществлялась в следуыце последовательности: + -- + - + + — + +- + — + . Длительност такого блока измерения составляет 15 секунд. Напряжение с выход сквид-магнитометра преобразуется цифровым вольтметром в частоту затем подается на счетчики, которые осуществляют в непрерывном ре жиме набор массивов и ^ - счет при соответствующей полярност за один блок измерений. Разность ДИ1= ^ - пропорциональна ис комому арионному полю. Накопление идет до заполнения буфера ЭВ (27 блоков - цикл измерений). Затем производится начальная обра ботка цикла: Л+= 2 Л ^ (1 = 1.27). М = (К4- Г")/27;

о2» ДЮ2/26х27. Для пересчета Дй' в константу арионного вза

имодействия измэрэтольную систему надо прокалибровать. При калиб ровке напряжение с измерительного шунта подается на калибровочну; катушку. Затем по той же программе, по которой производятся изме рения, определяется калибровочная константа ({Г*"- Ы~)/27. Еол

обозначить Ну амплитуду калибровочного поля, то

ДВ ДЯ ± о нк

По результатам калибровки:

■ = |5,7-10 15(ДИ ¡о)|, (4

о

Для константы взаимодействия:

= Нет--¡Ц^ - |(АМ ± о)| ',2-Ю-4, (5

к 4.7-10 В0

Било выполнено около двухсот циклов измерений. Суммарный набо статистики составил «28 часов. Гистограмма ДЫ^ приведена на рис.3

Согласно критерию Пирсона, при уровне значимости q = О,I (х2 «8,7

р о

; 1 ,7; «27,6) удовлетворяется пшотэза о нормальности распределения. Совместная обработка всей совокупности измерений дает ре-1ультат:

ЛИ = (-0,7 ± 7.9М0""1. (6)

)бработка результатов циклов измерений с весом, обратно пропорцио-гальным дисперсии цикла, дает практически такой же результат:

М = (-0,7 ± 7).10~1. (7)

Хлэдовательно, можно считать, что условия эксперимента в процессе шбора статистики существенно не изменились.

Измеренный эффект не выходит за пределы ошибки. На уровне до-¡товерности 95% получено ограничение:

< 8.5И0-15 . (8)

В0

он

0,3

02

о./

.К

-3-2-1 0 1 2 3 &№/<<

Рис.3. Гистограмма распределения отклонения от среднего величины ЛИ., нормированной на ее среднеквадратичное отклонение

Таким образом, в эксперимоете был достигнут коэффициент окр£ нировании «10 к установлено, что на атом уровне энергия взаимс действия поляризованных электронов не имеет каких-либо "квазимаг гштных" добавок. Для параметра арионного взаимодействия электроне отсюда следует ограничение:

Это в пять раз более жесткое ограничение, чем в ранее опубликован ной работе (Воробьев П.В., Гитэрц Я.И., Новосибирск).

В заключительной части главы рассмотрены перспективы поиск квазимагнитного взаимодействия. электронов в рамках данной методик Чувствительность нашего эксперимента определяется, в основном следующими параметрами: плотностью шума в рзбочем диапазоне час

тот; сродной амплитудой заэкранированного магнитного поля в облас ти расположения зонда; эффективной магнитной проницаемостью зонд в однородном магнитном поле при температуре жидкого гелия рЭф; коэффициентом размагничивания Кр; коэффициентом передачи трансфер матора потока^Кд. Значения этих параметров, полученные в наше эксперимента, и результат измерений при наборе статистики '30 ча сов приведены в первом столбце таблицы 1. На рис.4 показана схем эксперимента, который мы планируем осуществить. Во втором столОц цриведе.ш расчетные параметры схемы. Рассмотрим далее как они по лучаотся.

Таблица 1

Параметры Получено Планируется

Плотность шума (Ф0/У Гц) 1,2.10~3 ело-4

в0(Э) • 2-102 2И03

200 800

*р 2.5 1

«л ' 0.1 0.1

о X":, статистика ~ 30 часов е <2-ТО"4 10~6+10~7

В нашем эксперименте в рабочем диапазоне частот плотность шуга составляла 1,2-Ю-3 Ф0/ УГц. Это средняя шютнооть за воэ время шбора статистики («200 циклов измерений). Однако более подробный шализ глжазал, что в процессе измерений были периоды (примврро по ¡0+30 цшиюв), когда плотность шума составляла * б-10-4 Ф0/ У Гц. >того уро/шя мы и рассчитываем достичь в новом эксперименте, выя-!ив источник повышения шума и устранив его.

Мы предполагаем увеличить примерно на порядок В0, изменив ганфигурациа источника арионного поля (рис.4). Стержень при атом шсполагается в области максимального поля. Амплитуда тока солэно-|дз остается прежней и, следовательно, проблей с обеспечением нв->бходимой частоты переключения но возншснет. Основная сложность ■акой конфигурации - получение требуемого коэффициента экранирова-1ия. Поэтому мы планируем использовать дополнительно один или два винцовых экрана.

Рис.4. Схема планируемого эксперимента. 1 - стержень из сплава 78 ЦЦ2М, 2 - свинцовые экраны, 3 ферромагнитный экран, 4 - сверхпроводящий соленоид.

Как баю упомянуто выше, аффективная магнитная нроницаамост вашего зонда при температуре жидкого гелия оказалась примерно вчетверо ниже расчетной. Мы полагаем, что это связано с падением npi замораживании магнитной прош ;аемости сплава 79НМУ, который бы. наш использован. Этого падания, по-видимому, можно избежать, еаш изготовить зонд из крнодерыаллоя 78НД2Ы.

Мы работали со скввдом, включенным по схеме с компенсацие! потока. При в том размагничивающее действие измерительного тою приводит к уыа ныне mar намагниченности зонда. Мы планируем включит) оквид по.схема о компенсацией тока в трансформаторе потока. измерительная система при Таком включении работает как нуль-детектор. Следовательно, устраняется -размагничиващее- действие измерительно го тока и сторюнь намагничиваотся пропорционально

Таким образом, расчетная чувствительность аксперимента п<

схеме рис:4 составляет Х^ "10"б+10~7 при наборе статистики "30 ча сов. *

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы"! ~ ' .

Апробация работы.

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на: 1 ) Ш1 Зимней около ЛИЯФ,

2) семинаре Отдала нейтронных исследований ЛИЯФ, а также опубликованы в олвдушда работах:

1. Вобраков В.Ф., Борисов О.В., Ласаков М.С., Серобров A.n., Тальдаев P.P., Трофимова A.C. Экспериментальное ограничение на существование квазимагнитного (арионного) взаимодействия электронов // Письма в ЖЭТФ. 1991. Т.53. В.6. С.283-286.

2. Вобраков В.Ф., Борисов D.B., Ласаков М.С., Серебров А.П., Тальдаев P.P., Трофимова A.C. Поиск квазимагнитного взаимодействия електронов в вксперименте с использованием сквида. Црвпринт МЯФ - 1764. Л., 1991. 20 с.