Оглавление
Введение 3
1 Исследование слабых взаимодействий в ядерном д-захвате 9
1.1 Явления и эффекты за пределами СМ в ядерном /«-захвате ................. 10
1.1.1 Т-инвариантность................................................ 11
1.1.2 Гипотеза сохранения векторного тока (CVC) ...................... 12
1.1.3 /t/е универсальность и формфактор дл ........................... 14
1.1.4 Токи второго рода .............................................. 15
1.1.5 Гипотеза РСАС и формфактор дР .................................. 16
1.2 Экспериментальные методы исследования д-захвата......................... 18
1.2.1 Измерение скорости ядерного д-захвата........................... 18
1.2.2 Скорость парциальных переходов в д-захвате...................... 19
1.2.3 д-захвата из состояния сверхтонкой структуры мезоатома .... 20
1.2.4 Поляризация и высгроепность дочерних ядер в д-захвате........... 21
1.2.5 Корреляционные характеристики д-захвата......................... 22
1.3 Исследование слабых взаимодействий в д-захвате на различных ядрах . 24
1.3.1 д-захват в водороде............................................. 24
1.3.2 Мюоиный захват в дейтоне ....................................... 25
1.3.3 Захват мюонов ядрами 3Не ....................................... 26
1.3.4 Захват мюонов в (,Li ........................................... 28
1.3.5 Захват мюонов ядром 11В ....................................... 29
1.3.6 Захват мюонов ядром 12С 30
1.3.7 Захват мюонов ядром lf,0 ...................................... 31
1.3.8 Захват мюонов ядром 23Na ...................................... 32
1.3.9 Захват мюонов ядром 28Si ...................................... 32
1.3.10 Захват мюонов на тяжелых ядрах ................................. 33
2 Корреляционные характеристики //-захвата: теоретические аспекты 35
2.1 Матричные элементы ядерного мюошюго захвата ............................ 36
2.2 Теоретические представления о слабых формфакторах ...................... 38
2.2.1 Гипотеза о Т-инвариантности..................................... 38
2.2.2 Формфакторы векторного тока в рамках гипотезы СVC .............. 38
2.2.3 Аксиальный ток и гипотеза РСАС ................................. 40
2.2.4 С-инвариантность и токи второго рода ........................... 41
2.3 Мюоиный захват в сложных ядрах.......................................... 41
2.3.1 Гамильтониан взаимодействия .................................... 41
2.3.2 ЯМЭ мюоииого захвата в сложных ядрах............................ 43
1
2
Опшилашс
2.4 Корреляционные характеристики /г-захвата................................ 45
2.4.1 Корреляционная функция и мюон ном захвате ........................ 45
2.4.2 Коэф(1)ициеиты корреляционной функции............................. 46
2.4.3 Влияние ядерной структуры на корреляционные коэффициенты . 43
2.5 Теоретические обоснования метода у-и корреляций ........................ 49
2.5.1 Учет функции отклика детектора ................................... 50
2.5.2 Учет торможения и рассеяния ядер отдачи .......................... 50
3 Методика экспериментов по исследованию //-захват на ядре 28 Ф 57
3.1 Тестовое измерение...................................................... 58
3.2 Эксперимент в концепции подвижных детекторов ............................ 60
3.3 Эксперимент с использованием //8II-методики ............................. 63
4 Анализ данных и результаты эксперимента. 65
4.1 Остаточная поляризация мюонов........................................... 65
4.2 Калибровка и анализ временных спектров во втором эксперименте ... 67
4.3 Энергетические спектры ................................................. 67
4.4 Учет реальной геометрии пучок-мишень-детектор .......................... 69
4.5 Функция отклика детектора............................................... 70
4.6 Торможение дочернего ядра............................................... 71
4.6.1 Процесс торможения в рамках Ь8Б................................... 71
4.6/2 Время жизни уровня 2202 кэВ ядра 28А1 71
4.6.3 Поправки к коэффициентам тормозных потерь......................... 72
4.7 Учет' фоновых линий..................................................... 72
4.7.1 Реакция Сс(и,и' 7) и 7-линия 1204 кэВ ............................ 73
4.7.2 Другие фоновые линии.............................................. 74
4.8 Мультипольность 7-персхода 2171 кэВ с уровня 2202 кэВ ядра 28Л1 ... 75
4.9 Непрямое заселение уровня 2202 кэВ в 28Л1............................... 76
4.9.1 Заселение с вышележащих уровней................................... 76
4.9.2 Заселение из реакции 29А1(д,//??)................................. 76
4.10 Определение корреляционного параметра х................................. 77
4.10.1 Первый эксперимент: линейный фон................................. 77
4.10.2 Первый эксперимент: у чет составного фона........................ 78
4.10.3 Второй эксперимент............................................... 78
4.10.4 Совместный фит первого и второго эксперимент..................... 78
4.11 Другие эксперименты н усредненная оценка х ............................. 80
4.12 Ядерныс модели п оценка величины <л> 81
4.13 Обсуждение }хлзультатов ................................................ 84
4.14 Перспективы методики 7 — //-корреляций ................................. 85
Заключение
87
Введение
Исследования поглощения мюонов атомными ядрами составляют значительную часть физики мюонов — науки на стыке физики атомного ядра и физики элементарных частиц. Изучение взаимодействия мюонов с ядрами дает ключ к изучению неизвестных ранее свойств ядер, проверке и уточнению фундаментальных законов сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий, лежащих в основе наших представлений о материи, о научной картине мира. Исследования “мюоиной физики” представляют интерес и для других наук: химии, физики твердого тела, биологии, медицины.
Объектом исследования настоящей работы являются слабые взаимодействия в захвате мюона легкими атомными ядрами. Сразу же с момента обнаружения //-захвата исследование данного процесса было тесно связано со становлением тогда еще молодой и только формировавшейся теории слабых взаимодействий. В период, последовавший за открытием несохранепия четности із слабых взаимодействиях, исследования ядерного мюонного захвата были направлены на проверку теории слабых взаимодействий, определение ее численных констант. Наряду с исследованиями захвата мюона свободным протоном большое внимание было сконцентрировано на сложных ядрах. Были выполнены эксперименты и теоретические расчеты но определению парциальных переходов в водороде, дейтерии, 3Не, 12С, но измерению асимметрии углового распределения нейтронов при захвате поляризованных мюонов и др.
13 настоящий момент теория слабых взаимодействий является общепринятой и устоявшейся концепцией, являясь частью более общей теории, известной как ‘Стандартная модель” (СМ) — краеугольного камня современных представлений о физической картине мира. В целом удовлетворительно описывая известные на сегодняшний день физические явления и процессы, СМ, тем ис менее, не лишена своих слабых мест и “белых пятен”. К ним относятся проблемы большою количества независимых параметров теории, недостаточной массы Вселенной и природы темной материи, массы нейтрино и нехватки солнечных нейтрино. Наконец, нейтринные осцилляции, об экспериментальном наблюдении которых недавно объявила коллаборация БирегКатіокаїкІс |1|, возможно, выходят за рамки СМ. С целью преодоления щюблем и противоречий СМ теоретики предлагают целый спектр новых теорий с различными сценариями физических взаимодействий, расширяющих за рамки СМ. Справедливость тех или иных теоретических гипотез и должен установить эксперимент.
Не вызывает сомнения таг факт, что мы находимся на переломном этапе развития физической науки, когда ожидаемые в ближайшее десятилетие открытия (природа и масса нейтрино, осцилляции нейтрино, природа темной материи, распад протона, Хштс-бозопы, кварки 4 поколения и др.) могуг привести к новому качественному, революционному скачку в физике, обобщить существующие теории в рамках новой Единой теорії и фундаментальных взаимодействий.
3
4
Оглавление
На поиск и изучение явлений за пределами СМ и настоящий момент направлено огромное количество экспериментов в самых различных областях физической пауки, начиная от физики микромира (элементарные частицы и ядра) и заканчивая физикой мегамнра (астрономия и космология со Вселенной в качестве объекта исследования). Основная проблема подобного рода экспериментов — это, как правило, большой масштаб установок, создание которых требует крупных финансовых вложений. В условиях мировом тенденции сокращения расходов па фундаментальную физику ядра и элементарных частиц поиск источников финансирования подобных проектов становится все более трудной задачей, которая оказывается под силу лишь единичным крупным международным коллаборациям. В этой связи особую актуальность приобретает поиск, разработка и реализация научных проектов по поиску явлений и эффектов за рамками СМ в области низких, промежуточных и средних энергий. Менее масштабные и более дешевые эксперименты в этой области но качеству и значимости результатов не уступают мегапроектам в физике высоких энергий. Поэтому планирование, разработка и проведение подобного рода экспериментов в физике мюонов низких и средних энергий является актуальной задачей па сегодняшний день.
Основной задачей настоящей работы является исследование угловых корреляций в захвате поляризованных мюонов ядрами 28Бь Как будет показано в дальнейшем, корреляционные коэффициенты этого процесса зависят от констант теории слабого взаимодействия.
Чувствительность корреляционных характеристик д-захвата к различным формфакторам слабого взаимодействия связана с тем, что эта реакция характеризуется значительно большим переданным импульсом, чем обычный /3-распад (за счет разницы масс мюона и электрона). В этих условиях становится возможным наблюдать различные индуцированные типы взаимодействий (например, псевдоскалярное и тензорное), а в перспективе, и возможные примеси фундаментальных типов взаимодействий, запрещенных в СМ. Как правило, экспериментальные эффекты, связанные с указанными типами взаимодействий, пропорциональны импульсу, передаваемому в ходе ядерной реакции. Поэтому явления, которые пренебрежимо малы и носят характер поправок в /3-распаде, в мюонпом захвате могут быть существенно усилены, а, значит, могут быть изморены экспериментально.
Целью данной работы является определение величины индуцированного псевдоскалярного взаимодействия у г на основе экспериментально измеренных характеристик гамма-пейтримных корреляций процесса захвати поляризованных мюонов ядрами 288ь Теоретическая оценка др базируется на гипотезе частичного сохранения аксналыю-пекторного тока (РСАС), играющей важную роль в теории слабых взаимодействий. В частности, многие оценки других констант теории слабых взаимодействий, а также оценки возможной примеси фундаментальных Б- и Т-взаимодействий базируются па гипотезе РСАС и теоретическом значении др. Таким образом, измерение величины дг дает возможность экспериментальной проверки РСАС — одной из базовых гипотез теории слабых взаимодействий.
Имеющиеся в настоящий момент экспериментальные данные по величине др разнородны и противоречивы. Так, последние измерения радиационного д-захвата в водороде (2) показывают по различным оценкам 20-50% превышение экспериментальной величины др но отношению к теоретическому предсказанию. Несмотря на огромное количество последовавших заданным экспериментом теоретических работ, не удалось обнаружить поправки или адронные эффекты, которые могли бы вызвать столь суще-
Оглпмичше
5
стпешюс расхождение экспериментальных и теоретических результатов. Другой проблемой является зависимость (юзулматов эксперимента от модельных расчетов ядер-иых матричных элементов исследуемых переходов. Погрешность расчетов зависит от ядра, на котором происходит /а-захват. Поэтому представляется актуальным проведение измерений величины (}г для целого ряда переходов различных ядер.
Для достижения главной цели I» диссертации разрабатываются следующие направления исследований:
1. экспериментальное измерение профиля доилеровски уширенных 7-линий 1229 и 2171 кэВ, разряжающих уровень 2202 кэВ ядра 28А1, образующегося в реакции 2881(/з,1'); измерение мультиполыюсти 7-перехода 2171 кэВ, разряжающего уровень 2202 кэВ ядра 28А1;
2. определение параметров, характеризующих условия экспериментов, анализ природы и структуры фона в окрестности исследуемых 7-линий;
3. построение теоретической модели профиля исследуемых линий, наиболее полно отражающей реальные условия эксперимента: математическое моделирование процесса торможения дочернего ядра, анализ теоретических работ по кинематике п ядерпым матричным элементам (ЯМЭ) изучаемого процесса, сравнение моделей, используемых предположений, допущений и гипотез, отбор оптимальных моделей;
4. фитирование экспериментального спектра теоретическим профилем, определение величины корреляционного параметра х} оценка на его основе величины др\ обсуждение полученною результата, сравнение его с результатами других экспериментов, анализ перспектив дальнейших исследований.
Методология играет решающую роль в физике низких и средних энергий, поскольку во многом за счет уникальных, оглаженных, изящных экспериментальных методик она может на равных конкурировать с физикой высоких энергий. Основными методами исследований, использующимися и настоящей работе являются:
1. методы прецизионной ядерпои спектроскопии с использованием ПРСе детекторов большого объема для измерения временных и энергетических спектров, сопровождающих исследуемые реакции;
2. метод гамма-иейтринной угловой корреляции в мюон ном захвате для измерения профиля доилеровски уширенных 7-линий, чувствительного к корреляционным характеристикам процесса, которые, в свою очередь, зависят от величины индуцированного псевдоскалярного формфактора др\
3. методы теории тройной угловой корреляции между спином мюона, направлени-
ем вылета нейтрино и направлением вылета гамма-кваига, разряжающего дочер-
нее ядро, образующееся после /х-захвата. Использовались для определения кор-
реляционной функции процесса, корреляционных коэффициентов как функций
формфакторов теории слабых взаимодействий и параметров ядерпых матричных
элементов изучаемого перехода;
6
Оглавление
4. методы теории Липхарда, Шарфа, Шиотта (LSS) торможения ионов и веществе, применяемые для расчета торможения отдачи дочернего ядра в мишени1;
5. численные компьютерные методы решения оптимизационных задач. Использовались для фитиронании экспериментально измеренных профилей 7-лииий их теоретической (Цюрмой и определении параметров модели, главным из которых являлась величина искомого корреляционного коэффициента .т.
Основной экспериментальной трудностью всех экспериментов, касающихся исследования электрослабых взаимодействий, является определение энергии и направления вылета нейтрино. Очень малое сечение взаимодействия нейтрино с веществом вынуждает использовать дорогостоящие детекторы большого объема для прямой регистрации частицы. Другим способом являются методы косвенного определения параметров вылетающего нейтрино. При этом исследуются другие продукты, рождающиеся в результате прямой реакции или даже цепочки последовательных процессов, порожденных сю. На основе полученных данных восстанавливаются характеристики нейтрино.
В процессе ядериого //-захвати2 на покоящемся ядре вместе с нейтрино возникает всего одна частица — движущееся дочернее ядро. Поэтому кинематика процесса элементарна: дочернее ядро и нейтрино разлетаются в противоположные стороны с одинаковыми импульсами, определяемыми лишь энергетическим балансом начального и конечного состояний ядерной реакции. Однако малая энергия отдачи дочернего ядра (« 100 кэВ) создает’ существенные трудности для его прямой регистрации.
Вместе с тем, если образующееся дочернее ядро находится в короткоживущем возбужденном состоянии, то разряжающий его 7-квант, благодаря доплеровскому эффекту, уносит с собой информацию о направлении движения дочернего ядра, а следовательно, н о нейтрино. Методы современной прецизионной полупроводниковой ядерной 7-спектроскопии позволяют исследовать эти процессы, имеющие порядок 1(Г3 по отношении к абсолютной энергии фотона. Безусловно, косвенное измерение характеристик нейтрино неизбежно размывает эффект, усложняет его анализ, однако в настоящей работе показывается, что возникающие при этом проблемы успешно решаются в рамках предлагаемого метода.
Па защиту выносятся:
1. экспериментальные результаты для корреляционного параметра я; = 0.238 ±0.029 (отношение ядерпых матричных амплитуд /«-захвата па возбужденное состояние 2201 кэВ ядра 2sSi) и полученной на его основе оценки отношения формфакторов слабых взаимодействий gpj(j.\ < б;
2. комплексная теоретическая модель для расчета профилей 7-линий в рамках метода гамма-нейтринных угловых корреляций в мюонном захвате;
3. методика учета эффектов, связанных с поляризацией мюонов при исследовании гамма-иейтрпипых угловых корреляций в мюонном захвате;
1 Liudhmxl J.f Schat'ff М., Schiott Il.E. //Dansk. VUl. Sclsk. Mat.-Fys. Mcdd. - 19C3. - Vol.33. - P.3. Измерения времен жизни возбужденных ядерпых состояний в диапазоне 10"14 - 10“12 с но ослаблению допплеровского смещения энергии 7-лучей / И.ХЛсмберг, А.А.Пастернак //Современные методы ядерной спектроскопии. - Л.: 1985. - С.3-63.
•^Захвату мюона ядром ujxviHinc/mycT его торможение в веществе и мсзокаскад на основную К-сболочку. Поэтому начальный импульс мюона можно с хорошим приближениям считать равным нулю.
Оглішлсина
7
4. методика нагодованії я каскада 0+ ^ 14 -> 2+ (7-лишся 2171 кэВ);
5. методика у мста составного ([юна в окрестности исследуемой 7-липии 1229 кэВ.
В первой главе диссертации обобщены и систематизированы сведения о научных исследованиях по проблематике настоящей работы, приводится краткий исторический очерк и дается анализ современного состояния проблемы. Вторая глава посвящена теоретическим аспектам предлагаемой методики, в ней последовательно излагаются этапы решения поставленной проблемы. Здесь рассмотрена теория корреляционных характеристик процесса /1-захвата, модели ядерных матричных элементов, торможение ядер в веществе, построение модели теоретической формы 7-лиини. Третья глава посвящена описанию экспериментальной процедуры. В четвертой главе приводится описание процедуры обработки данных, приведены основные результаты работы, проводится их анализ и обобщение, оцениваются перспективы использования применяемой методики.
Необходимо ответить, что любой современный физический эксперимент — это совместный труд многих людей. Поэтому автор выражает благодарность научным руководителям, соавторам, коллегам но работе, без деятельного участия которых данная работа не могла быть выполнена. Это В.Бруданин, В.Егоров, Ц.Вылов, Ш.Запаров, ИЛОтландов, Т.Фнлннова, Л.Саламатин, В.Зинов, А.Качалкии, В.Коваленко, Ж.Дойч, О.Кочетов, Р.Прплс, Ш.Брнансон, В.Воробел, Я.Рак.
- Київ+380960830922