Поиск солнечных аксионов, излучаемых в M1-переходе ядер 57Fe тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б. П. КОНСТАНТИНОВА»

ДК 539. на правах рукописи

005016764

СЕМЁНОВ Дмитрий Александрович

Поиск солнечных аксионов, излучаемых в М1-переходе ядер Ее

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 лш

Санкт-Петербург 2012

005016764

Работа выполнена в Отделении нейтронных исследований Федерально] государственного бюджетного учреждения «Петербургский инстит] ядерной физики им. Б. П. Константинова».

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук А. В. Дербин,

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова».

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук М. Д. Скорохватов,

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»;

кандидат физико-математических наук А. В. Копылов,

Институт ядерных исследований Российской академии наук.

Ведущая организация:

Лаборатория высоких энергий, Объединенный институт ядерных исследований.

Защита диссертации состоится « А? » _2012 г.

в /3 часов на заседании диссертационного совета Д 002.115.01 при ФГБУ «ПИЯФ» по адресу: 188300, г. Гатчина Ленинградской области, ^ Орлова роща.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «ПИЯФ». Автореферат разослан « /3 » таМ^ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Л

«V

И. А. Митропольский

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Стандартная модель элементарных частиц и их взаимодействий, основанная на группах симметрии SU(3) х SU(2) х U(l), хорошо описывает большинство экспериментальных результатов. Однако в квантовой хромодинамике (КХД), которая является теорией сильных взаимодействий, имеется серьезная проблема, связанная с нарушением CP-симметрии. Дело в том, что лагранжиан КХД должен быть дополнен естественным членом, представляющим взаимодействие глюонных полей. Этот член называется, в соответствии с коэффициентом, 0-членом и является CP-нечетным. Однако экспериментально СР-нарушение в сильных взаимодействиях до сих пор не обнаружено.

Наиболее естественное решение было предложено Печчеи (R. D. Peccei) и Квинн (Н. R. Quinn) путем введения новой глобальной киральной симметрии, спонтанное нарушение которой позволяет точно скомпенсировать СР-несохраняющий член в лагранжиане КХД. Вайнберг (S. Weinberg) и Вилчек (F. Wilczek) показали, что спонтанное нарушение Печчеи - Квинн-симметрии должно приводить к возникновению новой нейтральной псевдоскалярной частицы - аксиона. Существование «стандартного» PQWW-аксиона было исключено целой серией экспериментов, выполненных с искусственными радиоактивными источниками, на реакторах и ускорителях.

Два класса новых теоретических моделей «невидимого» аксиона сохранили аксион в том виде, в каком он нужен для решения проблемы CP-сохранения в сильных взаимодействиях, и в то же время подавили его взаимодействие с фотонами (gAy), лептонами (gAe) и адронами (gAi-j)- Это модели «адронного», или KSVZ-аксиона (J.E.Kim, 1979; М. A. Shifinan, А. I. Vainstein, V.l. Zakharov, 1980) и «GUT», или DFSZ-аксиона (А. Р. Житницкий, 1980; М. Dine, F. Fischler, М. Srednicki, 1981). Масштаб нарушения симметрии в обеих моделях оказывается произвольным и может быть продлен вплоть до планковской массы тР ~ 1019 ГэВ. Поскольку амплитуда взаимодействия аксиона с адронами и лептонами пропорциональна массе аксиона, будет подавлено взаимодействие аксиона с веществом.

Другая причина интенсивных поисков аксионов обусловлена тем, что аксионы вместе с классом слабовзаимодействующих массивных частиц, так называемых WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), являются наиболее популярными кандидатами на роль частиц, из которых состоит темная материя во Вселенной.

Таким образом, проблема экспериментального обнаружения аксиона является крайне актуальной задачей.

Основной целью данной работы являлся поиск резонансного поглощения солнечных аксионов, излучаемых в М1 -переходе ядра "Бе, с помощью методики, основанной на регистрации у-квантов с энергией 14,4 кэВ, возникающих при разрядке первого возбужденного уровня "Бе, полупроводниковыми детекторами.

Научная новизна работы. В ходе выполнения диссертационной работы созданы 3 экспериментальные низкофоновые установки с 81(1л)-детекторами и мишенями из изотопа "Бе, которые включают в себя пассивную и активную защиту от космического излучения, а также регистрирующую аппаратуру.

Модифицирован пакет программ накопления данных с Б^Ы)-детекторов, позволяющий проводить длительные измерения и контролирующий работу детекторов и активной защиты. Создана программа обработки спектров, измеренных в совпадении и антисовпадении с активной защитой, заключающаяся в поиске пика с энергией 14,4 кэВ.

Проведены 3 серии измерений общей продолжительностью 159 суток с целью поиска резонансного поглощения солнечных аксионов ядрами 57Ре. В результате получено новое ограничение на изоска-лярную и изовекторную константы связи аксиона с нуклонами

^ 3,0-10"6, которое в модели адронного аксиона приводит к новому ограничению на массу аксиона тл < 145 эВ (95 % у. д.). Данный предел для 14,4 кэВ аксионов является в 1,5 раза более строгим, чем лучший результат, полученный в предыдущих работах. Предел на массу аксиона, существовавший на момент начала выполнения данной работы, улучшен в 5 раз, что соответствует увеличению чувствительности установки к появлению монохроматического пика почти на 3 порядка.

Показано, что основным недостатком методики поиска аксионов, излучаемых в М1-переходе ядра "Бе с энергией 14,4 кэВ, является то, что отрицательное значение параметра, связанного с ядерными матричными элементами, совместно с широким интервалом возможных значений параметров, определяемых значениями масс кварков, приводит к большой неопределенности в ожидаемой вероятности излучения аксиона в данном переходе и, как следствие, к неопределенности для верхнего предела на массу адронного аксиона.

Научно-практическая ценность работы. В диссертационной работе предложены и реализованы новые методики постановки низкофоновых экспериментов, которые могут быть использованы как при решении фундаментальных задач в физике элементарных частиц и атомного ядра, так и при решении прикладных задач, связанных с обнаружением и измерением малых концентраций радиоактивных ядер. В частности, уровень фона, достигнутый в низкофоновой установке на поверхности Земли, позволяет обнаружить у-активность в диапазоне (3-30) кэВ, равную 0,01 Бк, менее чем за сутки. Разработанные в диссертации пакеты программ для поиска пиков малой интенсивности в у-спектрах могут использоваться для различных целей.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработана и реализована методика поиска резонансного поглощения солнечных аксионов ядрами 57Fe, приводящего к возбуждению первого ядерного уровня 57Fe: А + 57Fe —> 57Fe*—> 57Fe + у (14,4 кэВ).

2. Вычислен поток и энергетический спектр солнечных аксионов, излучаемых в Ml-переходе 57Fe, на основе стандартной солнечной модели (ССМ).

3. Созданы низкофоновые экспериментальные установки с Si(Li)-детекторами, включающие в себя мишень из обогащенного изотопа 57Fe, активную и пассивную защиту и регистрирующую электронную аппаратуру.

4. Проведены длительные (159 суток) измерения спектров сигналов Si(Li)-fleTCKTopoB. Выполнена математическая обработка полученных спектров, заключающаяся в поиске пика с энергией 14,4 кэВ, соответствующей первому возбужденному уровню ядра 57Fe.

5. Получено новое ограничение на константы связи аксиона с нуклонами |-1,19gAN° + gAN3 |<3,0 • Ю-6, которое в модели адронного аксиона приводит к новому ограничению на массу аксиона m а <145 эВ (95 % у. д.).

Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 12 работах и докладывались на 56-й, 57-й и 59-й Международных конференциях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Саров, 2006; Воронеж, 2007; Чебоксары, 2009), на Международной конференции 7th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs (Греция, Миконос, 2011), на сессии отделения физических наук РАН (Москва, 2011), на научных семинарах Национальной лаборатории Гран-Сассо (Италия), кафедры ядерной физики

Санкт-Петербургского государственного университета и отделения нейтронных исследований Петербургского института ядерной физики.

Полученные данные внесены в таблицу Invisible Axion Limits from Nucleón Coupling в периодическом издании Particle Data Group -Review of Particle Physics, 2010.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общий объем работы 115 страниц. Работа содержит 40 рисунков, 3 таблицы и список литературы, включающий 119 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дано краткое описание основных причин введения в теорию и последующего экспериментального поиска нейтральной псевдоскалярной частицы - аксиона. Сформулирована цель работы, и изложена структура диссертации.

Первая глава представляет собой обзор основных теоретических положений, приведших к появлению аксиона. Рассмотрены основные модели аксиона и его свойства. В первом разделе представлено краткое введение в КХД, рассматривается - проблема и пути ее решения, приводящие к возникновению CP-проблемы сильных взаимодействий. Перечислены возможные теоретические решения данной проблемы, одно из которых связано с введением новой глобальной и(1)рд-симметрии Печчеи-Квинн (1977). Подчеркивается, что данный подход рассматривается как наиболее убедительное решение СР-проблемы.

Во втором разделе рассказывается о первоначальной модели «стандартного» PQWW-аксиона, предложенной Вайнбергом и Вилче-ком (1978). В данной модели U(1)PQ -симметрия нарушается на масштабе электрослабого взаимодействия (fA ~ 250 ГэВ), что приводит к массе аксиона ~ 150 кэВ.

В третьем разделе главы описываются две основные модели «невидимого» аксиона: KSVZ- и DFSZ-модели. Существенное отличие KSVZ-аксиона состоит в том, что он не имеет прямого взаимодействия с лептонами, что приводит к существенному подавлению взаимодействия адронного аксиона с электроном, которое обусловлено только радиационными поправками.

Четвертый раздел посвящен взаимодействию аксиона с веществом. Рассматриваются процессы взаимодействия аксиона с фотонами,

электронами и нуклонами. В некоторых моделях значение константы связи аксиона с фотоном gAy существенно отличается от первоначальных значений для моделей КБУг- и ОРБг-аксиона. Ограничения на массу аксиона возникает как следствие ограничений на константы связи &у, gAe и £дм, которые в значительной мере зависят от используемой теоретической модели.

Во второй главе представлено описание существующих методов регистрации аксионов, применяемых как в прямых лабораторных экспериментах, так и в астрофизических и космологических исследованиях.

В первом разделе рассматриваются эксперименты по поиску «стандартного» аксиона, которые исключили возможность его существования.

Во втором разделе рассматриваются лабораторные эксперименты по поиску «невидимого» аксиона, связанные с конверсией солнечных и реликтовых аксионов в фотон в лабораторном магнитном поле или в поле кристалла, лазерные эксперименты и эксперименты, выполненные по методике «исчезнувшего» у-кванта.

В третьем разделе представлены ограничения на свойства аксиона, которые получены из астрофизических и космологических данных. Рассматриваются ограничения, которые можно получить из эволюции звездных скоплений и вспышки сверхновой 8Ш987А. Обсуждается возможность того, что аксионы являются частицами, которые составляют всю темную материю во Вселенной или ее часть.

Заключительный раздел 2-й главы посвящен солнечным аксио-нам, поиск которых и являлся целью диссертационной работы. В начале раздела перечислены базовые элементы ССМ. Далее рассмотрены основные источники солнечных аксионов, связанные с конверсией фотонов в электромагнитном поле плазмы, тормозным излучением электронов, комптоновскими процессами и излучением аксионов в ядерных переходах магнитного типа.

Отношение вероятности ядерного перехода с излучением аксиона (&а) к вероятности магнитного перехода (со.,. ) имеет вид

1 1 2 ( V РА

2 па 1 + 82 1 Рг)

где руирА- импульсы фотона и аксиона, 52 = Е2/М1 - отношение вероятностей Е2- и М1-переходов, |х0 = \1Р + р,„ « 0,88 и ц = Цр - |А„ « 4,71 -

изоскалярный и изовекторный ядерные магнитные моменты, р и ц — параметры, зависящие от конкретных ядерных матричных элементов.

В этом же разделе вычислен поток и энергетический спектр ак-сионов, излучаемых в Ml-переходе ядра 57Fe, для ССМ BS05(OP) (J. N. Bahcall, A. Serenelli, S. Basu, 2005) с высокой металличностью (N. Grevesse and A. J. Sauvai, 1998) (рис. 1).

Далее рассмотрена реакция резонансного поглощения аксионов атомными ядрами, приводящая к возбуждению первого ядерного уровня 57Fe. Рассчитана скорость резонансного поглощения солнечных

(Еа-ЕШ). ev

Рис. 1. Энергетический спектр аксионов, испускаемых в М1 -переходе ядра 57Ре на Солнце. Уменьшение энергии аксиона за счет энергии ядра отдачи составляет 0,0018 эВ. На вставке показана схема уровней ядра 57Ре

В третьей главе подробно рассмотрены 3 различные экспериментальные установки, которые были созданы в ходе проведения работ по поиску резонансного поглощения аксионов с энергией 14,4 кэВ. Эксперимент проходил в несколько этапов. Общая схема эксперимента выглядела следующим образом. Для регистрации у-квантов использовался планарный 81(1л)-детектор. Над поверхностью детектора располагалась мишень, обогащенная изотопом 5/Ре. Детектор и мишень располагались внутри низкофоновой установки. В 2006-2011 гг. нами

было выполнено 3 эксперимента, которые имели все увеличивающуюся чувствительность. Это обеспечивалось увеличением массы мишени и эффективности регистрации квантов и снижением уровня фона за счет совершенствования конструкции детектора, пассивной и активной защиты.

В первом и втором разделах главы представлены основные характеристики установок с ¿¡(Ы)-детекторами площадью 30 и 200 мм2 соответственно.

В первом эксперименте для поиска у-квантов с энергией 14,4 кэВ использовался планарный 81(Ы)-детектор с диаметром чувствительной области б мм и толщиной 5 мм. Детектор находился в вакуумном криостате на расстоянии 8 мм от входного бериллиевого окна толщиной 12 мкм. Мишень из изотопа 57Ре (обогащение до 80 %) была расположена прямо на поверхности бериллиевого окна. Мишень имела массу 16,5 мг и диаметр 5 мм, что соответствует толщине х0 = 84 мг/см2.

Во втором эксперименте использовался 81(Ы)-детектор с чувствительной областью диаметром 17 мм и толщиной 2,5 мм. По сравнению с первым экспериментом площадь детектора была увеличена более чем в 5 раз. Детектор был установлен внутри нового вакуумного крио-стата с входным бериллиевым окном толщиной 20 мкм. Специальные меры были приняты для уменьшения фона, связанного с активностью изотопа 241 Ат. Мишень массой 290 мг из обогащенного до 91 % изотопа 57Ре железа была расположена прямо на поверхности бериллиевого окна. Расстояние между детектором и мишенью составляло 3 мм. Поверхностная плотность мишени составляла 95 мг/см2, в то время как длина поглощения у-лучей с энергией 14,4 кэВ равна 16 мг/см2.

Установка с секционированным детектором значительно большей площади (34 см2) рассматривается в третьем разделе.

Секционированный планарный 51(Ы)-детектор с диаметром чувствительной области 66 мм и толщиной 5 мм был специально изготовлен для данного эксперимента. После проведения дрейфа лития детектор был разделен на 9 частей путем разреза л+-контакта. Напряжение смещения подавалось на общий р-контакт. Каждый детектор имел свой спектрометрический канал и АЦП. В памяти компьютера накапливалось 18 спектров в совпадении и антисовпадении с сигналом активной защиты соответственно. Детектор, охлажденный до температуры жидкого азота, был размещен в вакуумном криостате. Мишень из обогащенного до 91 % изотопа 37Ре была расположена на расстоянии 1,5 мм от поверхности Б^Ы)-детектора. Мишень имела массу 1,26 г

9

и диаметр 70 мм, что соответствует толщине дг0 = 30 мг/см2, и была нанесена на тонкую подложку из плексигласа. Мишень располагалась внутри криостата на минимальном расстоянии от поверхности детектора с целью увеличения эффективности регистрации.

Пассивная и активная защита, использовавшаяся в измерениях с этими детекторами, была во многом схожей и описана в конце четвертого раздела, там же приведены сравнительные характеристики установок. На всех этапах эксперимента защита детектора состояла из пассивной и активной части. Для подавления внешней у-активности использовалась пассивная защита, состоящая из слоев меди, железа и свинца. В зависимости от конфигурации пассивная защита обеспечивала подавление внешнего у-фона в (0,3-2) х 103 раз в энергетическом интервале (10-60) кэВ.

Для регистрации событий, связанных с космическим излучением и быстрыми нейтронами, была создана активная защита из 5 пластиковых сцинтилляторов размером 500 х 500 * 120 мм. Общая загрузка с активной защиты была установлена на уровне (400-600) имп/с, что при длительности импульса запрета (50-120) мкс приводило к (2-7) % мертвого времени. Мы изучали влияние длительности импульса запрета на коэффициент подавления фона, связанного с космическим излучением. В интервале энергий (10-60) кэВ увеличение длительности импульса запрета с 50 до 100 мкс практически не влияет на уровень фона.

Крайне важным является тот факт, что измерение спектра сигналов Si(Li)-fleTeKTopa в совпадении с активной защитой позволяет определить вероятность возбуждения первого ядерного уровня 57Fe ядерно-активной компонентой и мюонами космического излучения.

Сравнительные характеристики описанных выше установок приведены в таблице. В ней указан номер детектора, его площадь, энергетическое разрешение при энергии 14,4 кэВ, уровень фона при энергии 14,4 кэВ, масса мишени Fe, эффективность регистрации у-квантов с энергией 14,4 кэВ, содержание изотопа 57Fe в мишени и величина \ = (М х е х о)/(В х S х FWHM)1/2, характеризующая чувствительность установки.

Таблица

Сравнительные характеристики установок

д 5 Р\УНМ В М е 5 £

1 0,3 0,15 30 0,017 2,19 81 2,6

2 2,0 0,28 5 0,29 2,3 91 36,3

3 34 1,48 2,6 1,26 8,91 91 1022

* Д- номер детектора; 5 - площадь (см2); Б\УНМ - разрешение (кэВ); В - приведенный фон (кэВ~'сут~'см~2); М - масса мишени (г); е - эффективность регистрации (%); 5 - обогащение по 57Ре (%); с - чувствительность в относительных единицах.

Чувствительность эксперимента можно характеризовать отношением (£) ожидаемого числа отсчетов в пике, которое пропорционально величине М х е х 5, к статистической ошибке числа событий фонового спектра в интервале разрешения детектора, которая пропорциональна величине {В х 5 х Р\УНМ)1/2. Значения £ показаны в последней колонке таблицы. Видно, что в ходе развития экспериментальной установки чувствительность установки была увеличена нами в 400 раз. Отметим, что чувствительность эксперимента зависит от времени измерений как 5~Тт.

Завершает третью главу раздел, посвященный программному обеспечению, разработанному для данного эксперимента. Для экспериментов по поиску солнечных аксионов с энергией 14,4 кэВ была специально создана программа АХКЖ14, которая позволила создать систему накопления данных, не используя сложной аналоговой схемы совпадений и промежуточных буферов памяти состояний АЦП. Программа ЛХЮЫ14 хорошо структурирована: она создана на основе ранее разработанных модулей, а также специально написанных для данного эксперимента модулей. Программное обеспечение можно разделить на 3 основные части, связанные с непосредственным управлением электроникой, графическим представлением и предварительной обработкой данных.

В четвертой главе представлены результаты измерений общей продолжительностью 159 суток и их анализ. Глава содержит три раздела, каждый из которых посвящен результатам, полученным на установках, описанных в главе 3. В каждом разделе представлен анализ основных источников фона в исследуемой области энергий, обоснован

выбор энергетических интервалов, в котором производится подгонка измеренного спектра, описана процедура поиска пика с энергией 14,4 кэВ, основанная на методе максимального правдоподобия.

В первом разделе представлены результаты, полученные с 81(Ы)-детектором площадью 0,3 см2. Измерения проводились в течение 29,7 суток сериями продолжительностью 1 сутки. Полученные энергетические спектры в интервале до 60 кэВ приведены на рис. 2. Спектр сигналов, зарегистрированных 81(1Л)-детектором, не сопровождающихся сигналом от активной защиты, отмечен цифрой «1». В спектре идентифицируется 10 явно выраженных пиков, связанных с активностью 238и и 241Агп. Энергетический интервал (12-19) кэВ спектра 1, в котором следует ожидать появление «аксионного» пика, показан на рис. 3. Можно видеть, что пик с энергией 14,4 кэВ явно не проявился.

Для получения верхнего предела на число отсчетов в данном пике, а следовательно, и на поток аксионов от Солнца использовался метод максимального правдоподобия. Для описания непрерывного фона была выбрана сумма линейной и экспоненциальной функций. Последняя учитывала возрастание фона при низких энергиях. К функции, описывающей непрерывный фон, было добавлено 7 гауссовых функций, 6 из них описывали известные пики характеристического рентгеновского излучения и один - искомый пик с энергией 14,4 кэВ. В результате подгоночная функция имела следующий вид:

2<х2

Результаты фита спектра 1, соответствующие минимуму X1 =112/98, показаны на рис.3. Верхний предел на число событий в пике с энергией 14,41 кэВ составляет 12 событий для 90 % у. д. Скорость счета у-квантов для числа ядер 57Ре в мишени М51Ре = 1,40 • 1020,

времени измерений Т = 2,57-106 с, эффективности регистрации 5 = 2,19-10-2, вероятности выхода излучения из мишени Р = ОД 89 и коэффициента внутренней конверсии 77 = 0,105 составит

Л4

1 7

М(Е) = а + Ъ-Е + с-ыу(-(Е-Е1))+ —

"V 2.7ГСТ ,=1

Л = £■ Р-Г!-Ыъ1ре-Т-в,.26-10

-33

1 эВ;

Energy, keV

Рис. 2. Энергетический спектр Si(Li)-ACTCKiopa, измеренный за 29,7 суток. 1 - спектр сигналов, не совпадающих с сигналом активной защиты; 2 — спектр сигналов, совпадающих с сигналом активной защиты. На вставке показан спектр, измеренный во всем энергетическом диапазоне

70-,-

0 I I | I I I ' | I ' I 1 | ■ I I I | ■ ■ < ■ | I I I I | I I I I | ■ I I |

12 13 14 15 16 17 18 19 Energy, keV

Рис. 3. Результаты фитирования спектра сигналов, зарегистрированных в антисовпадении с сигналом активной защиты

В результате верхний предел на массу аксиона составляет тА <360 эВ (90 % у. д.). Данный предел является в 2 раза более строгим, чем полученный в работе [Krcmar М. et al. И Phys. Lett. В. 1998. V. 442].

Предел на массу аксиона зависит от значений параметров S и z, связанных со значением масс кварков. Предел на массу KSVZ-аксиона (тА < 360 эВ) получен для S — 0,5, z = 0,56, принятых в аксионной литературе. Более модельно-независимым является ограничение на константы связи аксиона с нуклонами: |gAN° (3 + gAN31 <7,4 • 10"6.

Во втором разделе представлены результаты, полученные с 81(Ы)-детектором площадью 2 см2, измерения с которым проводились в течение 84,5 суток сериями продолжительностью 2 часа. Полученные энергетические спектры в интервале (1-62) кэВ приведены на рис. 4. Поскольку в мишени, обогащенной изотопом 57Fe до 91%, присутствовало небольшое количество изотопа 55Fe, наиболее интенсивные пики, проявившиеся в спектре, связаны с характеристическим рентгеновским излучением 55Мп (Ка = 5,9 кэВ, Кр = 6,49 кэВ). Также видны пики, связанные с активностью 241Ат. На рис. 5 детально показан энергетический спектр в интервале (12,2-16,6) кэВ, в котором ожидается появление аксионного пика.

Результаты фита спектра представлены на рис. 5. Полученное значение минимума х2 соответствует нефизическому значению площади пика с энергией 14,4 кэВ: S-—25 событиям. Верхний предел на число событий в пике, соответствующий 90 %-ному уровню достоверности, был определен стандартным образом - вычислялась зависимость х2 от площади аксионного пика S для различных фиксированных значений S, при этом остальные параметры были свободными.

Учитывая число ядер 57Fe в мишени N51Fe - 2,78 ■ 1021, время измерения Т = 7,30-105с, эффективность регистрации s = 2,3-Ю-2 и коэффициент внутренней конверсии т] = 0,105, получаем ограничение на значение констант связи аксиона с нуклонами и массу аксиона

тА < 159 эВ для 95 % у. д.

Предыдущий результат (тА <216 эВ), который был получен в работе [Hamba Т. et al. П Phys. Lett. В. 2007. V. 645], был улучшен нами в 1,4 раза.

Е, кеУ

Рис. 4. Энергетический спектр 81(1л)-детектора, измеренный в области от 1 до 60 кэВ. На вставке показан спектр в интервале (7-20) кэВ

—I-1-1->-I-1-1-с-I---1-1-1-1-1-1—

13 14 15 16

Епегду (ке\/)

Рис. 5. Спектр в области (12,2-16,6) кэВ и результаты оптимального фита (непрерывная кривая). Местоположение ожидаемого пика обозначено стрелкой

Поскольку ожидаемая интенсивность пика 14,4 кэВ зависит от массы аксиона как т\, это означает, что чувствительность нашего эксперимента была выше в 4 раза.

В третьем разделе представлены результаты, полученные с секционированным 81(1л)-детектором. Измерения с секционированным детектором проводились в течение 44,8 суток живого времени 2-часовыми сериями с целью контроля стабильности работы спектрометрических каналов $[(Ы)-детектора и сцинтилляционных детекторов активной защиты. Суммарный энергетический спектр сигналов, зарегистрированных в антисовпадении с сигналом активной защиты, представлен на рис. 6. В энергетическом интервале (10-80) кэВ отсутствуют статистически значимые пики, связанные с естественной или искусственной радиоактивностью.

Для описания измеренного спектра М(Е) была взята сумма экспоненциальной функции, описывающей непрерывный фон, и гауссовой функции. Результаты оптимального фита в интервале (10-20) кэВ показаны сплошной линией на рис. 6. Минимальное значение величины х1 =61/60 соответствует нефизическому значению площади пика £ = (-103 ±131) событий. Определенный стандартным образом верхний предел на число событий в пике оставляет Бцт — 180 для 95 % у. д.

В результате установлены новые верхние ограничения на вероятность излучения аксиона (юУа>т) в М1-переходе, комбинацию констант связи аксиона с нуклонами р + gAN31 и массу аксиона т/.

соА/й)у < 1,63-10"11, тА< 145 эВ.

Все пределы получены для 95 % у. д. Первые 2 ограничения являются мо-дельно-независимыми пределами. Ограничение на массу адронного аксиона является наиболее строгим ограничением, полученным для 14,4 кэВ аксио-нов в лабораторных экспериментах.

Верхний предел на массу адронного аксиона сильно зависит от конкретных значений параметров 3 к г (рис. 7). Неопределенность в значении параметра Б меняет ограничения на массу аксиона: тА < 208 эВ для 5=0,4, и тл<94эВ для 5 = 0,68. Более того, при значении 5-0,17 предел на массу адронного аксиона не может быть получен, поскольку значение [£А№ Р + £ам3| обращается в ноль.

Е, кеУ

Рис. 6. Спектр секционированного детектора, измеренный за 45 дней. На вставке показан интервал (10-80) кэВ. Сплошная линия представляет результат подгонки спектра в диапазоне (10-20) кэВ

Рис. 7. Ограничения на массу КБУг-аксиона, полученные в эксперименте с секционированным детектором, в зависимости от параметра 5 для различных значений 2 (95 % у. д.). Сплошная линия соответствует значению х = 0,56

Современное значение отношения масс и- и ¿/-кварков 2 = ти/m¡i определено с точностью до интервала (0,35-0,6). Для значения S = 0,5 изменения параметра z от 0,6 до 0,45 приводят к изменению предела на массу в интервале тА < (127-260) эВ. Если z я 0,34 и S = 0,5, предел на массу аксиона не может быть получен. Таким образом, главным недостатком методики поиска аксионов, излучаемых в Ml-переходе с энергией 14,4 кэВ ядра 57Fe, является то, что отрицательное значение параметра р совместно с широким интервалом возможных значений S и z приводит к большой неопределенности в ожидаемой вероятности излучения аксиона в данном переходе.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Дербин А. В., Егоров А. И., Митропольский И. А., Муратова В. Н., Базлов Н. В., Бахланов С. В., Семенов Д. А., Унжаков Е. В. Препринт ПИЯФ-2676. Гатчина, 2006. 19 с.

2. Дербин А. В., Егоров А. К, Митропольский И. А., Муратова В. H., Базлов Н. В., Бахланов С. В., Семенов Д. А., Унжаков Е. В. Препринт ПИЯФ-2675. Гатчина, 2006. 17 с.

3. Дербин А. В., Егоров А. И., Митропольский И. А., Муратова В. Н., Базлов Н. В., Бахланов С. В., Семенов Д. А., Унжаков Е. В. Поиск резонансного поглощения солнечных аксионов, излучаемых при Ml-переходе ядер "Fe // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 85. Вып. 1. С. 15-20.

4. Derbin А. V., Bakhlanov S. К, Egorov A. I., Mitropolsky I. А., Muratova V. N., Semenov D. A., Unzhakov E. V. Search for Solar Axions Produced by Primakoff Conversion Using Resonant Absorption by 169Tm Nuclei // Physics Letters B. 2009. V. 678. P. 181-185, arXiv:0904.3443.

5. Derbin A. V., Egorov A. I., Mitropolsky I. A., Muratova V. N., Semenov D. A., Unzhakov E, V. Search for Resonant Absorption of Solar Axions Emitted in Ml Transition in 57Fe Nuclei // European Physical Journal C. 2009. V. 62. P. 755-760, arXiv:0906.0256.

6. Дербин А. В., Бахланов С. В., Егоров А. К, Митропольский И. А., Муратова В. Н., Семенов Д. А., Унжаков Е. В. Поиск солнечных аксионов, возникающих в результате эффекта Примакова, с помощью резонансного поглощения ядрами 1б9Тт // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74, №4. С. 514-519.

7. Дербин А. В., Муратова В. И., Семенов Д. А., Унжаков Е. В. Новое ограничение на массу солнечных аксионов с энергией 14,4 кэВ, излучаемых в Ml-переходе ядер 57Fe // Ядерная Физика. 2011. Т. 74. С.620-626.

8. Derbin А. V., Kauynov A. S., Muratova V. N., Semenov D. А., Unzhakov Е. V. Constraints on the Axion-Electron Coupling for Solar Axions Produced by Compton Process and Bremsstrahlung // Phys. Rev. D. 2011. V. 83. P. 023505.

Отпечатано в типографии ФГБУ «ПИЯФ»

188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 87, тир. 100, уч.-изд. л. 1; 11.04.2012 г.

61 12-1/823

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б.П. КОНСТАНТИНОВА

УДК 539.12.123 на правах рукописи

Семенов Дмитрий Александрович

Поиск солнечных аксионов, излучаемых в М1-переходе ядер 57¥е.

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук А.В. Дербин

Санкт-Петербург 2012

Оглавление

Введение...................................................................................................................4

Глава 1. Теоретические модели аксиона (обзор)................................................10

1.1 Нарушение СР-симметрии в КХД..............................................................10

1.1.1 Лагранжиан квантовой хромодинамики..............................................10

1.1.2 Проблема И( 1 )А и её решение..............................................................12

1.1.3 Варианты решения СР-проблемы.........................................................17

1.1.4 и(1)р(} - симметрия и аксионы...............................................................18

1.2 Первоначальная модель аксиона Печеи-Квинн........................................19

1.3 Модели невидимого аксиона.......................................................................24

1.3.1 КБУг-аксион..........................................................................................26

1.3.2 ВБ8г-аксион...........................................................................................27

1.4 Свойства аксиона и константы взаимодействия.......................................28

1.4.1 Взаимодействие аксиона с фундаментальными частицами..............29

1.4.2 Взаимодействие с бозонами..................................................................29

1.4.3 Взаимодействие аксиона с фермионами..............................................35

Глава 2. Методы регистрации аксионов..............................................................42

2.1 Эксперименты по поиску «стандартного» аксиона..................................42

2.2 Эксперименты по поиску «невидимого» аксиона.....................................45

2.2.1 Конверсия аксиона в фотон в лабораторном магнитном поле..........45

2.2.2 Конверсия солнечных аксионов в фотоны в поле кристалла............47

2.2.3 Другие методы регистрации аксионов.................................................48

2.3 Астрофизические ограничения на свойства аксиона...............................52

2.3.1 Аксионы - кандидаты на темную материю.........................................52

2.3.2 Звездная эволюция малоинерционных звезд......................................53

2.3.3 Шаровые звездные скопления..............................................................56

2.3.4 Ограничения на §Ае из шаровых звездных скоплений.......................58

2.3.5 Сверхновая 1987А..................................................................................59

2.3.6 Ограничения из космологии .................................................................61

2.4 Солнечные аксионы.....................................................................................64

2.4.1 Стандартная солнечная модель.............................................................64

2.4.2 Образование аксионов на Солнце.........................................................65

2.4.3 Поток и энергетический спектр солнечных аксионов, излучаемых в Ml-переходе 57Fe...............................................................................................66

57

2.4.4 Резонансное поглощение аксионов ядром Fe и скорость счета солнечных аксионов...........................................................................................69

Глава 3. Экспериментальные установки для поиска резонансного поглощения аксионов с энергией 14.4 кэВ...............................................................................72

3.1 Установка с Si(Li) детектором площадью 0.3 см.....................................72

3.2 Установка с Si(Li) детектором площадью 2 см........................................75

3.3 Установка с секционированным Si(Li) детектором площадью 34 см ...78

3.4 Сравнительные характеристики трех экспериментальных установок... 81

3.5 Программы накопления данных on-line.....................................................83

Глава 4. Результаты измерений и их анализ.......................................................87

4.1 Результаты, полученные с 0.3 см Si(Li) детектором...............................87

4.2 Результаты, полученные с 2 см2 Si(Li) детектором..................................93

4.3 Результаты, полученные с секционированным Si(Li) детектором..........99

Заключение...........................................................................................................103

Список литературы..............................................................................................106

Введение

Стандартная модель элементарных частиц и их взаимодействий, основанная на группах симметрии БИ(3) X 517(2) X и(1), хорошо описывает большинство экспериментальных результатов. Однако, в квантовой хромодинамике (КХД), которая является теорией сильных взаимодействий, имеется одна очень серьезная проблема, связанная с нарушением СР-симметрии. Дело в том, что лагранжиан КХД должен быть дополнен естественным членом, представляющем взаимодействие глюонных полей. Этот член называется, в соответствии с коэффициентом, в — членом и является СР-нечетным. Однако, экспериментально СР-нарушение в сильных взаимодействиях до сих пор не обнаружено. В частности, верхний предел на электрический дипольный момент нейтрона приводит к ограничению в < 10~9, что является крайне малой величиной по сравнению с другими коэффициентами в лагранжиане КХД.

Наиболее естественное решение СР-проблемы было предложено Печчеи (Рессе!) и Квинн (С>шгт) путем введения новой глобальной киральной симметрии, спонтанное нарушение которой при энергии /А позволяет точно скомпенсировать СР-несохраняющий член в лагранжиане КХД. Вайнберг и Вилчек показали, что спонтанное нарушение РС>-симметрии при энергии /А должно приводить к возникновению новой нейтральной псевдоскалярной частицы - аксиона. Существование "стандартного" аксиона, было надежно закрыто целой серией экспериментов, выполненных с искусственными радиоактивными источниками, на реакторах и ускорителях. После этого были предложены новые теоретические модели "невидимого" аксиона, в которых аксион имеет очень маленькую массу, слабые константы связи с веществом и большое время жизни. Данные теоретические модели аксиона служат основанием для продолжения экспериментального поиска псевдоскалярной частицы, слабо взаимодействующей с веществом.

Другая причина интенсивных поисков аксионов обусловлена тем, что аксионы, вместе с классом слабовзаимодействующих массивных частиц, так называемых WIMPs (weakly interacting massive particles), являются наиболее популярными кандидатами на роль частиц, из которых состоит "темная материя" во Вселенной.

Таким образом, проблема экспериментального обнаружения аксиона является крайне актуальной задачей.

Данная диссертация посвящена поиску резонансного поглощения солнечных аксионов ядрами 57Fe, приводящего к возбуждению первого

сп сп сп С7

ядерного уровня Fe: А+ Fe —» Fe*—» Fe+y (14.4 кэВ).

Основные задачи диссертационной работы состояли в следующем:

1. Вычисление потока солнечных аксионов с энергией 14.4 кэВ, связанных с

57

тепловым возбуждением первого ядерного уровня ядра Fe. Вычисление скорости резонансного поглощения данных аксионов ядрами 57Fe, находящимися на Земле.

2. Разработка методики эксперимента по поиску резонансного поглощения

57

солнечных аксионов с энергией 14.4 кэВ ядрами Fe.

3. Создание экспериментальной установки с гамма-детекторами и мишенью из изотопа 57Fe, включающей в себя пассивную защиту от внешнего гамма- и нейтронного фона и активную защиту от космического излучения и регистрирующую аппаратуру.

4. Создание программ накопления данных с гамма-детекторов, позволяющих проводить длительные измерения и контролирующих работу детекторов и активной защиты.

5. Проведение измерений энергетических спектров гамма-детекторов с

57 -п

целью поиска резонансного поглощения солнечных аксионов ядрами Fe.

6. Проведение математической обработки спектров, измеренных в совпадении и антисовпадении с активной защитой, заключающейся в поиске пика с энергией 14.4 кэВ.

7. Определение констант связи аксиона с нуклонами и массы аксиона.

В результате, в диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Выполнены вычисления потока солнечных аксионов с энергией 14.4 кэВ. Найдено распределение аксионов по энергии, которое оказывается близким к гауссову распределению с дисперсией g = 2.2 эВ.

2. Разработана и реализована методика поиска резонансного поглощения солнечных аксионов, излучаемых в М1-переходе ядра 57Fe, основанная на регистрации гамма-квантов с энергией 14.4 кэВ, возникающих при разрядке первого возбужденного уровня 57Fe, полупроводниковыми детекторами.

3. Создана экспериментальная установка с 81(1л)-детекторами и мишенью из изотопа 57Fe. Низкофоновая установка включает в себя пассивную и активную защиту, а также регистрирующую аппаратуру.

4. Модифицирован пакет программ накопления данных с Si(Li)-детекторов, позволяющий проводить длительные измерения и контролирующий работу детекторов и активной защиты.

5. Создана программа обработки спектров, измеренных в совпадении и антисовпадении с активной защитой, заключающаяся в поиске пика с энергией 14.4 кэВ.

6. Проведены три серии измерений общей продолжительностью 159 суток с целью поиска резонансного поглощения солнечных аксионов ядрами 57Fe.

7. В результате, получено новое ограничение на изоскалярную gQAN и изовекторную g\N константы связи аксиона с нуклонами: |—1.19с^дг 4-

g%NI — 3-0 • Ю-6, которое в модели адронного аксиона приводит к новому ограничению на массу аксиона тА < 145 эВ (95% у .д.). Данный предел для 14.4 кэВ аксионов является в полтора раза более строгим, чем лучший результат, полученный в предыдущих работах.

8. Установлено, что главным недостатком методики поиска аксионов, излучаемых в 14.4 кэВ Ml-переходе ядра 57Fe, является то, что отрицательное значение параметра р, связанного с ядерными матричными элементами, совместно с широким интервалом возможных значений параметров S и z, определяемых значениями масс кварков, приводит к большой неопределенности в ожидаемой вероятности излучения аксиона в данном переходе, и как следствие, к неопределенности для верхнего предела на массу адронного аксиона.

Полученные данные опубликованы в ведущих физических отечественных и зарубежных журналах, таких как «Письма ЖЭТФ», «Ядерная физика», «Известия РАН». «Physical Review», «Physics Letters», «European Physical Journal» и внесены в таблицу «Invisible axion limits from nucleón coupling» в издании Particle Data Group - "Review of Particle Physics, 2010".

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка цитируемой литературы.

В первой главе выполнен обзор основных теоретический положений в различных моделях аксиона. В первом разделе главы 1 дается краткое введение в квантовую хромодинамику, обсуждается причина появления СР-проблемы, рассматриваются варианты ее решения. Показано, что решение CP-проблемы, связанное с U(1 ^-симметрией, приводит к появлению псевдоскалярной частицы - аксиона. В разделе 2 рассматривается модель PQWW- или «стандартного» аксиона, в которой имелись строгие предсказания для массы аксиона и его констант связи с веществом. В разделе

3 представлены основные положения новых моделей «невидимого» аксиона - «адронного» или KSVZ-аксиона и «GUT» или DFSZ-аксиона. Свойства «невидимого» аксиона, его взаимодействие с электронами, фотонами и нуклонами рассматривается в разделе 4.

Вторая глава посвящена описанию существующих методов регистрации аксионов, применяемых как в прямых лабораторных экспериментах, так и в астрофизических и космологических исследованиях. В первом разделе рассматриваются эксперименты по поиску «стандартного» аксиона, которые надежно закрыли возможность его существования. Эксперименты по поиску «невидимого» аксиона, ряд из которых продолжается в настоящее время, обсуждаются в разделе два главы 2. Ограничения на свойства аксиона, которые можно получить из астрофизических и космологических данных, представлены в разделе три. Рассматриваются ограничения, которые можно получить из эволюции звездных скоплений и вспышки сверхновой SN1987A. Обсуждается возможность того, что аксионы являются частицами, которые составляют всю или часть темной материи во Вселенной и полученные отсюда ограничения на свойства аксиона.

Заключительный раздел главы 2 посвящен солнечным аксионам, поиск которых и являлся целью диссертационной работы. В начале раздела перечислены базовые элементы стандартной солнечной модели (ССМ). Далее рассмотрены основные источники солнечных аксионов, связанные излучением аксионов в ядерных переходах магнитного типа, с конверсией фотонов в электромагнитном поле плазмы, тормозным излучением электронов и комптоновскими процессами. Вычислен поток и

57

энергетический спектр аксионов, излучаемых в М1-переходе ядра Fe, для стандартной солнечной модели BS05(OP) с высокой металличностью. Рассчитана вероятность резонансного поглощения аксионов на Земле.

Модель BS05(C)P) имеет хорошее согласие с результатами экспериментов, поэтому полученная скорость счета аксионов использовалась для сравнения результатов проведенных нами экспериментов с теоретическими расчетами.

В главе 3 подробно рассмотрены три различных экспериментальных установки, которые были созданы в ходе проведения работ по поиску резонансного поглощения аксионов с энергией 14.4 кэВ. В первом и втором

разделах главы представлены основные характеристики установок с Si(Li)-

2 2

детекторами площадью 30 мм и 200 мм , соответственно. Описана пассивная и активная защита установок. Подробно рассмотрены электронные схемы экспериментов. Установке с секционированным детектором значительно большей площади (34 см2), на которой были получены наиболее строгие результаты, посвящен раздел 3. Сравнительные характеристики трех установок рассматриваются в разделе 4. Заключает 3 главу раздел, посвященный программному обеспечению, разработанному для данного эксперимента.

В заключительной четвертой главе представлены результаты измерений, общей длительностью почти 160 дней, и проведен их анализ. Глава содержит три раздела, в каждом из которых представлен анализ основных источников фона в исследуемой области энергий, обусловлен выбор энергетических интервалов, в котором производится подгонка измеренного спектра, описана процедура поиска пика с энергией 14.4 кэВ, основанная на методе максимального правдоподобия. Каждый из разделов посвящен результатам, полученным на установках, описанных в главе 3. Прослеживается повышение чувствительности установок, которое позволило установить новые, наиболее строгие, верхние ограничения на константы связи аксиона с нуклонами и, как следствие, на массу аксиона.

Основные результаты диссертационной работы кратко подытожены в заключении.

Глава 1. Теоретические модели аксиона (обзор) 1.1 Нарушение СР-симметрии в КХД 1.1.1 Лагранжиан квантовой хромодинамики.

Квантовая хромодинамика является калибровочной теорией, основанной на неабелевой группе 5[/(3). Данная симметрия приводит к восьми безмассовым калибровочным бозонам (глюонам и цветовым триплетам кварков с различными ароматами г. Кварки и глюоны являются единственными фундаментальными полями стандартной модели для сильных (адронных) взаимодействий. Утверждение, что КХД перенормируемая калибровочная теория, основывающаяся на группе 5"[/(3) с цветовым триплетом кварковых полей, приводит к тому, что плотность лагранжиана КХД будет выглядеть как [1,2]:

8 п/ £ = ЧХ + Та V - ' (1Л>

а=1 ;=1

здесь Ц) кварковые поля (п^ — различные ароматы) с массой ту-; матрицы Дирака, ковариантная производная:

= + (1-2) е5-калибровочная константа, = > гДе ёд > А = 8 глюонные поля,

а ЬА генераторы группы 5[/(3) в триплетном представлении кварков (т.е. ^ это матрицы размера 3x3, действующие на д):

= дц9$ - дуд$ - ^Слвсд^ду • (1.3)

Для квантования в лагранжиан классического вида (1.1) необходимо ввести калибровочную поправку и дополнительные, так называемые, «невидимые» члены. Физические вершины в КХД включают в себя вершины типа: глюон - кварк - антикварк, по аналогии с вершинами типа фотон -фермион - антифермион в электродинамике. Однако в КХД входят и 3-х и 4-

х глюонные вершины порядка % и е|, соответственно, для которых нет аналогов в квантовой электродинамике. Запишем калибровочно-инвариантный лагранжиан КХД в новых обозначениях:

где 1р - кварковое поле, ^ - восемь калибровочных полей, Ла - матрицы Гелл-Манна, являющиеся генераторами для группы 5£/( 3). Член, обозначенный как представляет собой эквивалент электромагнитного тензора в КЭД для каждого из генераторов группы 5/7 (3) , а соответственно является эквивалентом 4-векторного потенциала электромагнитного тензора в случае КЭД.

Каждый кварковый аромат принадлежит к фундаментальному представлению 5/7(3) и содержит триплет полей совместно обозначаемых как гр , тогда как антикварковое поле ф принадлежит к комплексно-сопряжённому представлению (3*), также содержащему триплет полей:

Остальные частицы принадлежат тривиальному цветовому представлению (1) группы 5(7(3). Выбор именно этой группы обусловлен следующими её особенностями:

1. Данная группа допускает комплексные представления, так как необходимо отличать кварк от антикварка в связи с тем, что мезонное состояние, содержащее пару кварк - антикварк, не совпадает с состоянием кварк - кварк.

2. Группа 5/7(3) допускает существование полностью антисимметричного синглетного бариона состоящего из трёх кварков ццц. Из экспериментов по �