Оглавление
Введение 4
1 Современное состояние физики массы нейтрино. 9
1.1. Общие аспекты нейтринной физики.............................. 9
1.2. Осцилляции нейтрино......................................... 15
1.3. Безосцилляционные пределы на массу нейтрино................. 26
1.4. Смешивание нейтрино и /? распад............................. 34
1.5. Выводы...................................................... 38
2 Методические вопросы. 39
2.1. Предварительные вычисления. ............................... 40
2.2. Анализ схемы распада 24,Ри.................................. 43
2.2.1. Исследования низкоэнергетического спектра электронов 241Апі 46
2.3. Электростатические спектрометры Е8А-50 и ЕБА-12............. 52
2.3.1. Принципиальное устройство спектрометров.............. 52
2.3.2. Калибровка спектрометров............................. 54
2.3.3. Контроль калибровки спектрометра ЕЭА-50.............. 57
2.3.4. Зависимость трансмиссии спектрометра ЕБА-бО от энергий электронов при разрешении 7 эВ 58
2.3.5. Зависимости трансмиссии спектрометра ЕБА-бО от энергии электронов при разрсигепии 65 эВ........................ 61
2.3.6. Эффективность регистрации КЭУ на Е8А-12........ 62
2.3.7. Измерения фона спектрометра Е8А-50............. 65
2.3.8. Измерения фона спектрометра Е8А-12............. 65
2
- З -
2.4. Радиоактивные источники, учет влияния рассеяний на /9-спсктр. 67
2.4.1. Приготовление источников............................... 67
2.4.2. а- и 7- спектрометрия.................................. 68
2.4.3. Рассеяния и энергетические потери. ................... 70
2.4.4. МС симуляции /3-спсктров............................... 72
2.4.5. Достоверность МС симуляций............................. 73
2.5. Выводы........................................................ 77
3 Экспериментальное изучение /9“-спектра 241Ри, анализ и результаты. 79
3.1. Измерения..................................................... 79
3.1.1. Измерения на спектрометре ЕБА-бО....................... 79
3.1.2. Измерения на спектрометре Е8А-12....................... 80
3.2. Анализ полученных результатов............................... 82
3.2.1. Выбросы в спектрах на спектрометре К8А-12.............. 82
3.2.2. Линии обнаруженные в /9-спектре........................ 82
3.2.3. Контроль стабильности параметров измерений............. 85
3.3. Результаты.................................................... 89
3.3.1. Граничная энергия /9-спектра из измерений на спектрометре БЭЛ-12.................................................. 89
3.3.2. Граничная энергия /9-спектра из измерений на спектрометре Е8А-50.................................................. 90
3.3.3. Анализ экспериментального спектра, полученного на
спектрометре Е8А-50, методом двойной разности 91
3.3.4. Процедура описания экспериментального /9”-спектра
241 Ри, полученного на спектрометре Е8А-12.............. 92
3.3.5. Результаты анализа спектра 241 Ри, полученного на спектрометре Е8А-12............................................... 94
3.4. Выводы........................................................ 98
Заключение 99
Литература
102
- 4 -
Введение
Одним из наиболее фундаментальных и интригующих вопросов современной физики является вопрос о наличии у нейтрино массы покоя. Хотя в стандартную модель слабого взаимодействия нейтрино вводятся как без-массовые частицы, нет никаких фундаментальных принципов запрещающих иметь им ненулевую массу покоя. Однако, до сих пор нет не подвергающихся сомнению экспериментов, которые устанавливали бы наличие или отсутствие такой массы, несмотря на несколько десятилетий систематических поисков.
Хотя верхний предел на массу нейтрино считается малым, ~ 1 эВ или даже меньше [1], ограничения из прямых кинематических экспериментов не такие уж и маленькие. Верхний предел на массу мюопного нейтрино составляет 170 кэВ [2], а для тау нейтрино - 18.2 МэВ [3].
Принимая во внимание возможные, в случае наличия у нейтрино ненулевой массы покоя, нейтринные смешивания, становится попятной актуальность проведения исследований по поиску таких смешиваний в вышеуказанном диапазоне масс, в том числе и при помощи электронной спектрометрии. В таком случае ожидается появление характерного изгиба в 0-спектре, который может быть обнаружен в измерениях с высоким инструментальным разрешением. Более того, кинематические исследования такого рода могут быть использованы для поиска так называемых стерильных нейтрино.
Изучение возможного влияния примесей нейтрино на форму 0-спектров является довольно сложной задачей в силу целого ряда факторов. В частности, необходимо хорошо знать характеристики спектрометров электронов и измеряемых радиоактивных источников, а также изучить другие возможные источники систематических ошибок. Количество радиоактивных изотопов,
- 5 -
доступных для таких исследований, также ограничено. Это связано с тем, что доля фазового объема массово чувствительной области 0-спектра падает пропорционально росту граничной энергии 0"-распада (Етаг), поэтому исследования необходимо проводить с изотопами, имеющими относительно низкую величину Етах. Кроме того, 0-распад должен быть не более первого порядка запрета, т.к. для сильно запрещенных переходов поведение формы 0-спектра не так просто описывается теоретически. Наличие дочерних изотопов, слишком длинный или очень короткий период полураспада, наличие переходов в возбужденные состояния накладывают дополнительные ограничения.
Одним из путей поиска примеси тяжелого нейтрино с массой га„// в 0-спектре с граничной энергией Етах, является поиск дополнительной ветви 0-распада с граничной энергией Етах — т»нс2. Корректность процедуры анализа во многом определяется возможностью описать все эффекты, влияющие на экспериментальную форму спектра, с достаточной точностью. Систематические ошибки могут имитировать или напротив приводить к исчезновению возможного эффекта, связанного с примесью тяжелого нейтрино, как например было в случае 17 кэВ нейтрино (раздел 1.4.). В частности, одной из сложнейших проблем является учет упругих и неупругих рассеяний электронов, как в изучаемом источнике, так и в спектрометре. Зачастую, для определения влияния энергетических потерь на форму экспериментальных 0-спектров проводятся дополнительные измерения, при одинаковых условиях, электронов дискретных спектров с близкими энергиями (Оже или конверсионные электроны). С этой целью, идентичным образом с 0” источником, приготавливают радиоактивный источник другого изотопа, по возможности с близким Ъ. Предполагается, что потери энергии электронами в обоих источниках близки и поэтому форма, например, конверсионной линии используется как функция отклика установки в целом, включая как радиоактивный источник, так и энергоанализатор с детектором. Однако. форма конверсионных линий зависит от различных атомных процессов, например встряски, а кроме того трудно приготовить источники одинаковой толщины в диапазоне нескольких Л. Более того, свободный пробег, как
-6-
между актами упругого, так и неупругого рассеяния электронов, зависит от энергии, и одной или двух калибровочных конверсионных линий может быть недостаточно для адекватного отображения такой зависимости. Негативная роль всех этих эффектов увеличивается с уменьшением энергии изучаемых 0-частиц. В некоторых из предыдущих работ согласие между экспериментальными и рассчитанными теоретически 0-спектрами было получено только после введения физически необоснованных дополнительных корректирующих функций (физический смысл которых не всегда ясен).
Мы провели исследования непрерывного 0-спекгра 241 Ри при помощи двух электростатических спектрометров разных типов, используя несколько разных по активности и типу подложки радиоактивных источников 241Ри, определили функцию потерь, основываясь на МС (Монте-Карло) симуляциях процессов упругого и неупругого рассеяния в источнике, и провели анализ спектра без использования феноменологических параметров при фитирова-
НИИ.
Выбор пал на 241 Ри по нескольким причинам, а именно:
• На ветвь 0-распада приходится 99.998% от всех распадов 241 Ри, при этом все 100% таких распадов идут на основное состояние дочернего 241 Аш, что приводит к образованию однокомлонентного 0-спектра.
• Граничная энергия 0~-распада 24‘Ри (20.8(2) кэВ [4]) близка к граничной энергии наиболее часто используемого для таких исследований 3Н (18.6 кэВ), в то время-как их атомные номера существенно отличаются (Z=94 и 1). За исключением 177Lu (Z=71) [5], все предыдущие попытки поиска тяжелых нейтрино из анализа 0“-спектров были ограничены Z<30.
• Низкая граничная энергия 241 Ри позволяет применять для измерения его 0-спектра электростатические спектрометры с высоким приборным разрешением.
• При 0"-раснаде 241 Ри суммарная кинетическая энергия продуктов распада сравнима с энергией перестройки атомных электронов при изменении Z—»Z+1. Для изучаемых обычно изотопов с низким Z величина такой энергии пренебрежимо мала.
- 7-
• В результате 0“~распада 241 Ри образуется нестабильное ядро 241 Ат. Однако, в силу большого, по сравнению с 241 Ри, периода полураспада дочернего 241Ат (Т1/2 = 432 г.), коррекция экспериментального спектра на конверсионные и Оже электроны является небольшой, а 7-спектроскопия примеси 241 Ат облегчает контроль источника 241 Ри в процессе исследований. Кроме того, конверсионные линии, возникающие при распаде 241 Ат, позволяют проводить калибровку абсолютной энергетической шкалы спектрометра электронов непосредственно в процессе измерений непрерывного 0 спектра.
• Источник 241 Ри является более стабильным в вакууме, чем широко применяемые твердотельные радиоактивные соединения 3Н. Улетучивание части активности из источника приводит к изменениям фона и структуры источника, что значительно увеличивает систематическую ошибку.
Основными целями настоящей работы являлись:
1. Поиск примеси тяжелых нейтрино из анализа 0-спектра 241 Ри, с расчетом потерь энергии электронами в радиоактивном источнике 241 Ри, и без введения нефизических параметров при обработке.
2. Изучение 0-спектра 241 Ри на двух различных электростатических спектрометрах и анализ релевантности МС симуляций рассеяний электронов в реальных источниках, основанный на знании о сечениях упругих и неупругих столкновений, толщине и структуре источников.
3. Экспериментальное исследование зависимости основных характеристик электростатических анализаторов от энергии электронов.
4. Необходимое для анализа 0-спектра 241Ри, экспериментальное изучение спектра электронов низких энергий, возникающих при а-распаде 241Аш.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
В первой главе дается краткий обзор современного состояния физики массы нейтрино.
Во второй главе проводятся предварительные расчеты необходимой экспериментальной статистики 0“-спектра 241Ри. Анализируется схема распада
- 8 -
241 Ри. Исследуются физические характеристики электростатических спектрометров, использовавшихся при проведении измерений. Дается описание нашего подхода к приготовлению и исследованию радиоактивных источников для электронной спектроскопии. Описывается процедура учета влияния на /?~-спектр рассеяния электронов в веществе источника.
Третья глава посвящена экспериментальной методике измерений 0~ спектров 241Ри на электростатических спектрометрах ЕБА-бО и Е8А-12. Проводится анализ экспериментальных спектров, приводятся полученные результаты и их сравнение с результатами предшедствующих исследований.
В заключении сформулированы общие выводы.
Глава 1
Современное состояние физики массы нейтрино.
1.1. Общие аспекты нейтринной физики.
Историческое введение.
После открытия радиоактивности солей урана Беккерелем в 1896 году и вскоре после этого радиоактивности радия Пьером и Марией Кюри, уже к 1899 год}' Резерфорд показал, что существует два типа радиоактивности: альфа и бета. В 1900 год}' Виллардом было доказано существование третьего типа радиоактивности - гамма активности радия. В 1902 году супругами Кюри было показано, что частицы, испускаемые при /^-распаде, представляют собой электроны. После изучения этого типа активности ядер различными методами, к 1914 году было установлено, что образующиеся при /^-распаде электроны имеют не одно фиксированное значение кинетической энергии, как следовало из кинематики двухчастичного процесса, а значения от нуля до максимально возможного при данном распаде. Это входило в противоречие с законом сохранения энергии-импульса. Ситуация оставалась неразрешенной до 1930 года, когда В. Паули предположил, что непрерывный характер /?-слектров может быть понят если предположить, что при распаде дополнительно испускается еще одна частица. В 1933 году
9
- Київ+380960830922