close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Бета распад нейтрона и стандартная модель

код для вставкиСкачать
Бета-распад нейтрона и
Стандартная Модель
(измерение времени жизни нейтрона с гравитационной
ловушкой ультрахолодных нейтронов)
А.П. Серебров, ПИЯФ РАН
12 мая 2005 года, Москва
Марковские чтения
1
1. β-распад нейтрона, Стандартная Модель и космология
2. Измерения времени жизни нейтрона, история, экспериментальные
результаты
3. Измерение времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой
ультрахолодных нейтронов
а) Измерения n на реакторе ВВР-М, Гатчина
б) Изучение проблемы аномальных потерь УХН
в) Измерение n на высокопоточном реакторе ILL, Гренобль
4. Анализ новых результатов (Стандартная Модель и космология)
5. Перспективы исследований – увеличение точности измерений
времени жизни нейтрона и асимметрий β-распада нейтрона
2
β-распад нейтрона и Стандартная Модель
GA
u
n d
d
u
dp
u W
-
e
-
GV
e
Kobayashi-Maskawa mixing
matrix:
d Vud
s V
cd
b V
td
Vu s
V cs
V ts
Vub d V cb
s
V tb b G V G F Vud
ft 1 R 1 R GA
Vud G F 1 3 A 0 2
GV
Vu d
k
2
2
2
2
1
1 3
2
4908 4 сек
n 1 3
2
3
β-распад нейтрона и Стандартная Модель
(статус в 2003)
Vu d
2
Vu s
2
Vu b
2
1 0.9924( 28 )
0.0076( 28 ) 2.7 Vud
Vus
Vub
2
0 .9 7 1 7 (1 3 )
2
0 .2 1 9 6( 2 3 )
2
0 .0 0 3 6(9 )
4
β-распад нейтрона и космология
fn 1
2
GF
2
3
1 3 g m
2
A
5
e
Δ n 1%
Δ Y =0.75%
Δ n 1%
Δ =17%
0.61% 3.3% 5
Измерения времени жизни нейтрона, история,
экспериментальные результаты
Method
940
Ref./Year
878.5 0.8
Storage of ultra-cold neutrons
A. Serebrov et al. 2005
886.8 3.42
Neutron beam experiment
M.S. Dewey et al. 2003
885.4 0.95
Storage of ultra-cold neutrons
S. Arzumanov et al. 2000
889.2 4.8
Neutron beam experiment
J. Byrne et al. 1995
882.6 2.7
Storage of ultra-cold neutrons
W. Mampe et al. 1993
888.4 3.1 1.1
Storage of ultra-cold neutrons
V. Nesvizhevski et al. 1992
878 27 14
Neutron beam experiment
R. Kosakowski 1989
887.6 3.0
Storage of ultra-cold neutrons
W. Mampe et al. 1989
877 10
Storage of ultra-cold neutrons
W. Paul et al. 1989
876 10 19
Neutron beam experiment
J. Last et al. 1988
891 9
Neutron beam experiment
P. Spivac et al. 1988
872 8
Storage of ultra-cold neutrons
A. Serebrov et al. 1987
870 17
Neutron beam experiment
M. Arnold et al. 1987
903 13
Storage of ultra-cold neutrons
Y.Y. Kosvintsev et al. 1986
875 95
Storage of ultra-cold neutrons
Y.Y. Kosvintsev et al. 1980
937 18
Neutron beam experiment
J. Byrne et al. 1980
881 8
Neutron beam experiment
L. Bondarenko et al. 1978
918 14
Neutron beam experiment
C.J. Christensen et al. 1972
885.8 0.9
world average 1998
H. Abele 2000
920
neutron lifetime (), s
Lifetime τ[s]
world average
900
885.7±0.8
880
860
878.5±0.8
new result
840
n=6.5
820
1985 1990 1995 2000 2005
year
6
Методы измерения времени жизни нейтрона
(пучковый, хранение УХН)
N p N n t v n p
1
N N 0e
1
t / stor .
1
1
stor . n loss .
7
Прецизионные измерения времени жизни нейтрона с
гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов
(оценка возможностей метода)
V iW
x
2
A cos kx
2m
k 2
x
2
Be
W
Im b
V
2 Im æ x
Be
2m
R
2
2
V E
3 10
7
3.7 10
-7
6
2
2 k / æ = 2
6
storage n t 10 s
1 iæ / k
2
2 R e b
n – number of collisions
E
1 iæ / k
1 R
ab s in el
Re b
n = 2 .7 1 0
æ
E
VE
O2
10
8
t 0 .5 s
for solid oxygen much
better!
Neutron lifetime could be
measured directly: corrections for
losses are much less than 1 s.
8
Прецизионные измерения времени жизни нейтрона с
гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов
(первый результат эксперимента с гравитационной ловушкой УХН,
бериллиевое покрытие, покрытие из твердого кислорода)
Parameters of universal cold
neutron source:
• 6 liters of liquid Н2
• heat release 2 кW
• record flux of polarized
cold neutrons
fc = 1.8109 n/(scm2)
Ф = 91010 n/s
• UCN ~ 10 n/cm3
n = 888.43.11.1 s
(PNPI-JINR)
= GA/GV = -1.25940.0038
B = 0.98940.0083 (PNPI)
B = 0.98210.0040 (PNPI-ILL)
(PNPI-IAE)
9
(первый результат эксперимента с гравитационной ловушкой УХН,
бериллиевое покрытие, покрытие из твердого кислорода)
Фактор потерь ()
Probability of anomalous losses
1,5x10
-4
1,2x10
-4
9,0x10
-5
6,0x10
-5
3,0x10
-5
Preliminary result with wide trap and
solid oxygen coating: n=872 ± 8 c
n=888.4 ± 3.1 ± 1.1 с
0,0
Температура, К
Температурная зависимость фактора потерь УХН для
различных бериллиевых ловушек:
1 – сферическая, напыленная бериллием ловушка,
необезгаженная;
2 – цилиндрическая, напыленная бериллием ловушка,
обезгаженная (5 часов при 250ºC);
3 – цельнометаллическая бериллиевая ловушка,
обезгаженная (8 часов при 300ºC);
4 – сферическая, напыленная бериллием ловушка,
обезгаженная (28 часов при 350ºC с протоком He и D2);
5–
теоретическая
температурная
зависимость,
вычисленная в рамках Дебаевской модели.
Результаты измерений
как функция расчетного
параметра . 1(Be) – экстраполяция к времени жизни
нейтрона по данным для ловушек с бериллиевым
покрытием, 2(O2) – экстраполяция к времени жизни
нейтрона по данным для ловушек с кислородным
покрытием и бериллиевым подслоем. ○ – результаты
измерений для сферической ловушки, ● – результаты
измерений для цилиндрической ловушки.
10
Исследование проблемы аномальных потерь УХН,
обнаружение явления деполяризации УХН,
квазиупругое рассеяние УХН
UCN depolarization
Material
Energy dependence
of anomalous losses
Quasielastic scattering on
the surface of fomblin-oil
20
(2,170,21)10-5
(1,150,09)10-5
30
6 ,0 x1 0
25
20
4 ,0 x1 0
-6
-6
15
2 ,0 x1 0
10
(1,230,21)10-5
-6
5
0
-4 0
b a c k g ro u n d
-3 0
-2 0
-1 0
0
10
20
o
T e m p e ra tu re , С
30
40
50
0 ,0
60
-6
-1
-5
8 ,0 x1 0
35
14
, 10 s
40
Be
12
10
loss
1 ,0 x1 0
-5
16
-1
45
-5
(1,580,20)10-5
1 ,2 x1 0
50
C o u n ts p e r c yc le
Be foil
(measurements of
1998)
Be foil
(measurements of
2000)
Be coating on
copper rings
Be coating on Al
foil
55
P ro b a b ility o f q u a s i-e la s tic s c a tte rin g ( )
18
Trap coating (Be) I
(measurement in
(0,720,07)10-5
1998)
Trap coating (Be) II (2,070,05)10-5
8
6
4
L T F o il
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
E, cm
11
Прецизионные измерения времени жизни нейтрона с
гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов
(продолжение эксперимента в Гренобле,
покрытие из низкотемпературного масла)
Setup for the measurement
of n-lifetime at ILL
(Grenoble, France)
12
Схема экспериментальной установки
с гравитационной ловушкой УХН
1 – neutron guide from UCN Turbine;
2 – UCN inlet valve;
3 – beam distribution flap valve;
4 – aluminium foil (now removed);
5 – “dirty” vacuum volume;
6 – “clean” (UHV) vacuum volume;
7 – cooling coils;
8 – UCN storage trap;
9 – cryostat;
10 – mechanics for trap rotation;
11 – stepping motor;
12 – UCN detector;
13 – detector shielding;
14 – evaporator
13
Диаграмма измерений времени жизни нейтрона с
гравитационной ловушкой УХН
5
10
40
4
10
3
Count rate
10
30
2
10
20
1
10
0
10
10
-1
10
-2
10
0
700
1000
1500
2000
2500
3000
0
5
10
40
4
10
3
Count rate
10
2
st 10
1
10
0
10
30
t h o ld 2 t h o ld 1
N ln 1 N2 20
10
-1
10
-2
10
0
700
1000
1500
Time, s
2000
2500
3000
0
14
Измерение времени жизни нейтрона методом
хранения УХН
Total probability of UCN losses:
1
1
1
storage n loss
Probability of losses in trap walls:
lo ss E 1
Im (U F )
w a ll lo ss co e fficie n t
R e(U F )
E lo ss w e ig h te d w a ll co llisio n fre q u e n cy
1
1
storage
(1)
n
1
1
storage ( 2 ) n 1
1
E
storage ( 2 )
storage (1)
1
1
n
storage (1)
(2)
(2)
E
E
1
(1)
E
(1)
15
Расчет эффективной частоты соударений УХН со
стенками ловушки
h*
w all ( є ) 1
h *
0
1
4
n ( є m gh ) v ( є m gh ) ( є m gh ) dS ( h )
h*
n ( є m gh )dV ( h )
є
0
Measurement of UCN spectrum
mg
wide trap
narrow trap
40000
Count of captured UCN
12
narrow trap
wide trap
10
8
( є )6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
U C N en ergy , n eV
70
30000
20000
10000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Gravitational barrier height, cm
16
Схема распыления низкотемпературного масла на
поверхность ловушки
LTF evaporator is heated to +1400C
The chemical formula of LTF
contains only C, O and F.
Molecular weight Density at r.t.
2354
1.825 g/ml
Vapour pressure at r.t.
1.5*103 mbar
Fermi potential 102.8 neV
Vacuum
Calculation based on cold
neutron transmission data
predicts for LTF at 190K
2*106 ( Yu.N.Pokotilovski,
Trap surface is cooled to about -1500C
JETP 96, 2003)
17
UCN storage time, s
Процесс подготовки покрытия к измерениям,
подавление процесса квазиупругого рассеяния УХН
на флуктуациях поверхности жидкого покрытия
Temperature dependence of UCN storage time
880
870
860
850
840
830
820
810
800
Count/cycle
800
600
Cooling
a)
Warming
-160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40
b)
Integral count during 1000 s
of holding time
400
200
0
-160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40
o
Trap temperature, C
18
Экстраполяция времени хранения
к времени жизни нейтрона
storage, s
-1
1/storage, s
860
(2.23 0.19) 10
-3
1,160x10
-3
6
energy extrapolation:
n 877.60 0.65 s
J
865
0.95
2
1,155x10
The result of joint size and
The result of energy
-3
1,150x10
870
-3
1,145x10
extrapolation:
n 875.55 1.60 s
E
875
-3
1,140x10
880
-3
1,135x10
world average n=885.7(7)s
-3
1,130x10
0
1
2
3
4
6
5
, s
7
8
885
9
The result of size
extrapolation:
n 878.07 0.73 s
S
10
-1
19
Экстраполяция к времени жизни нейтрона
(энергетическая экстраполяция)
storage, s
-1
1/storage, s
860
-3
n 875.55 1.6 s
1,160x10
The result of energy
865
-3
1,155x10
-3
1,150x10
870
-3
extrapolation has rather
strong dependence on
(E) function.
1,145x10
875
-3
1,140x10
Statistical accuracy is
880
-3
1,135x10
world average n=885.7(7)s
-3
1,130x10
0
1
2
3
4
5
, s
6
7
8
885
9
poor due to small base
of extrapolation.
10
-1
20
Экстраполяция к времени жизни нейтрона
(размерная экстраполяция)
storage, s
-1
1/storage, s
n 878.07 0.73 s
860
-3
1,160x10
865
-3
1,155x10
-3
1,150x10
885
-3
1,145x10
875
-3
1,140x10
880
-3
1,135x10
world average n=885.7(7)s
-3
1,130x10
0
1
2
3
4
5
, s
6
-1
7
8
885
9
10
n-lifetime, s
870
880
875
1.2
2
870
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Average UCN energy, neV
Size extrapolation has rather weak dependence on (E) and
we take it as the most reliable
21
Монте-Карло модель эксперимента
(моделирование процесса измерений)
Count
Count
narrow trap
experiment
0.1%
1%
10%, 100%
40000
140000
experiment
10%, 100%
120000
100000
30000
80000
20000
60000
40000
10000
20000
0
800
850
Time, s
900
0
800
900
1000
1100
1200
1300
Time, s
Probability of diffuse scattering of UCN on LTF coating
is more than 10%
22
Монте-Карло модель эксперимента
(моделирование экстраполяции времени хранения УХН
к времени жизни нейтрона)
-1
-1
-
st
, s
n0
-1
st - n0, s
-5
2,5x10
2,0x10
Count
140000
diffusion 1%
diffusion 10%
-5
-1
-15
experiment
10%, 100%
120000
100000
-5
1,5x10
-10
-5
80000
1,0x10
-5
-6
5,0x10
40000
n0
0,0
60000
0
20000
0
-6
-5,0x10
0
1
2
3
4
5
6
Gamma,1/s
7
8
9
10
800
900
1000
1100
1200
1300
Time, s
Systematic error of gamma calculation method is - 0.017 ± 0.236 s
23
Изучение стабильности покрытия
Storage time, s
History of measurements
2
875
=0.58
Wide trap
Wide trap
870
1
4 evaporations of LTF ( 3; 3; 3; 3,2 ml)
2
new evaporation of LTF ( 3 ml)
3
warming to r.t., pumping 15 days and cooling
4
new evaporation of LTF ( 3 ml)
5
warming to r.t. and cooling
6
new evaporation of LTF ( 3 ml)
Narrow trap
865
1
3 evaporations of LTF ( 4,2 ; 2; 2 ml)
2
warming to r.t., pumping 2 months and cooling
3
new evaporation of LTF ( 2 ml),
warming to -30C and cooling
Narrow trap
860
0
1
2
3
2
=1.15
4
5
6
warming to r.t. and cooling
5
new evaporation of LTF ( 2 ml)
6
new evaporation of LTF ( 1,6 ml)
7
*
Run number
4
Be LTF
st
Ti LTF
st
1 . 9 0.6 s
The uncoated part of surface (4.41.3)10-7
24
Изучение влияния вакуума на результаты измерений
Influence of the residual gas to UCN
Storage time, s
losses was studied in additional
Cryopump on
875
experiments:
Wide trap
870
Cryopump off
865
Narrow trap
860
Cryopump on
0
1
2
3
4
5
6
Run number
7
8
9
• Method of worse vacuum
UCN storage time was
measured at different
vacuum conditions
(5*10-6 and 8*10-4 mbar )
Calculated correction for
storage time is (0.4 ± 0.02)s
and (p)=9.5 mbar*s
• Finally helium cryopump was
installed close to UCN trap
and measurements of UCN
storage time were repeated
(cryopump off and on)
25
Окончательный результат для времени жизни
нейтрона и ошибки измерений
Size extrapolation
n-lifetime
Value,s Uncertainty, s
878,07
Systematic effect
0,73
Value,s Uncertainty, s
Method of values calculation
0
0,236
Influence of mu-function shape
0
0,144
Spectrum uncertainties
0
0,104
Uncertainties of traps sizes(1mm)
0
0,058
0,40
0,024
0
0,004
0,40
0,30
Influence of the residual gas
Uncertainty of LTF critical energy (20 neV)
Total systematic effect
n [s] = 878.5 ± 0.7stat ± 0.3syst
26
Результат измерений времени жизни нейтрона с
гравитационной ловушкой УХН и
Стандартная Модель
The new result is in agreement with Standard Model
and with last result for A-asymmetry
27
Результат измерений времени жизни нейтрона с
гравитационной ловушкой УХН и
космология
Δ n 1% Δ Y =0.75%
Δ n 1% Δ =17%
0.61% 3.3% 28
29
886 . 8 1.2 st 3.2 syst s
30
31
887 . 6 3 s
32
33
λ 10 s
5
-1
Last result
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
0
5
10
15
20
25
30
35
λ ie ε th /ε 10 s
5
(Old result 882.6 2.7 s)
-1
34
The last most precise result
n = 878.5 0.8 s
(2004) PNPI, ILL, JINR
35
Перспективы увеличения точности измерений
времени жизни нейтрона и
асимметрий β-распада нейтрона
1. Проект измерения времени жизни нейтрона с точностью
n/n 0.310-3 (фактор увеличения точности 34 раза)
2. Проект измерения асимметрии А с точностью А/А 210-3
(фактор увеличения точности 3 раза)
36
Проект эксперимента для измерения времени жизни
нейтрона с точностью n/n 0.310-3
Монте-Карло модель
1200
wide trap
1000
count
800
600
400
200
0
800
1000
1200
1400
time, s
Фактор увеличения статистической
точности: 4.5 раза для широкой
ловушки, 9 раз для широкой
ловушки с перегородками.
37
Проект эксперимента для измерения асимметрии А
с точностью А/А 210-3
Vacuum chamber
Superconducting solenoid
38
Схема эксперимента, магнитный коллиматор
10
Hm
Distribution of magnetic field along axis in the correlation spectrometer
neutron beam
60
0,9
8
40
electron detector
proton detector
30
y - [mm]
20
10
[T]
magnetic strength, H [A/m]
0,8
50
0,7
-decay area
6
0,6
0,5
4
0,4
0,3
e-detector
H0
2
0,2
0
0,1
-10
0
0,0
0
0
2
-20
-40
-60
4
2000
6
3000 8
4000 10
distance, z [mm]
-30
-50
1000
p-detector
o
c=39 , Ee=200 keV
0
1000
2000
Z - [mm]
3000
4000
sin2θc = H0/Hm θc = 39
H0 = 0.35 T H0/H0 = 210-3
210 mm, L=2690 mm
Hm = 0.87 T Hm/Hm = 210-3
150 mm, L=50 mm
d cosθ e σ
= 1.3× 10
-4
cosθ eσ
cosθ eσ 0.88835
39
Основные соотношения, задачи для достижения
точности А/А ~ 10-3
v
W E e ,p e ,p = f(E e ) 1 + a cos p e ,p c
w h e re W E e ,p e ,p ± AP
v
c
cos σ,p e
± B P co s σ,p - p ro b a b ility o f β -d e ca y
E e ,p e - e n e rg y a n d m o m e n tu m o f e le ctro n
p - m o m e n tu m o f a n tin e u trin o
v - e le ctro n v e lo city
P - n e u tro n b e a m p o la riza tio n
a , A , B - co rre la ti o n co e fficie n t s
X=
N -N
N +N
=A
v
c
P cosθ eσ
A v e ra g e co s σ,p = 0
A v e ra g e co s p e ,p ν = 0
e
W e h a v e to co lle ct a ll p ro to n s!
4 tasks:
1. determination of average cosθ (1210-4)
2. determination of electron energy (<10-3)
3. determination of neutron beam polarization (1210-3)
4. determination of experimental asymmetry X (ΔX/X <10-3)
40
Создание высокопоточного пучка поляризованных
холодных нейтронов и измерение поляризации с
точностью 1.510-3
41
Заключение о возможных перспективах
прецизионных измерений β-распада нейтрона
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
42
Документ
Категория
Презентации
Просмотров
10
Размер файла
10 599 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа