Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Эксперименты по поиску аксиона (обзор) 11
1.1. Возникновение аксиона в теории 11
1.1.1. Взаимодействие аксиона с фотоном: распад аксиона на два фотона А—>2у и конверсия аксиона в фотон в поле ядра A + (N,Z) - у + (N,Z) 14
1.1.2. Взаимодействие аксиона с электроном: конверсия аксиона в фотон А+е-»у+е и аксио-электрический эффект A+e+Z-»e+Z .17
1.1.3. Взаимодействие аксиона с нуклонами 20
1.2. Эксперименты по поиску стандартного аксиона 21
1.3. Эксперименты по поиску невидимого аксиона 24
1.3.1. Конверсия аксиона в фотон в лабораторном магнитном поле . 25
1.3.2. Конверсия солнечных аксионов в фотоны в поле кристалла . 27
1.3.3. Другие методы регистрации аксионов 28
1.4. Астрофизические ограничения 31
Глава II. Поиск аксионов, излучаемых в М1-переходе ядра 125тТе 33
2.1. Общая методическая схема эксперимента 33
2.2. Изучение схемы распада ядра Те 35
2.3. Измерение характеристик планарных HPGe-детекторов и спектра 125mje детектором 39
2.4. Экспериментальная установка, электронная схема эксперимента 46
2.5. Программы накопления данных on-line 50
2.6. Результаты измерений 54
2.7. Обработка данных off-line 58
2.8. Анализ полученных результатов 61
Глава Ш. Поиск солнечных аксионов, излучаемых в М1-переходе Li 67
3.1. Поток и энергетический спектр солнечных аксионов, резонансное поглощение аксионов 67
3.2. Низкофоновая установка с Ge-детектором, активная и пассивная защита 75
3.2.1. Ge-детектор и спектрометрический канал 78
3.2.2. Определение эффективности регистрации у-квантов 80
3.2.3. Сохранения стабильности энергетической шкалы при проведении долговременных измерений 82'
3.3. Полученные результаты 84
3.3.1. Возбуждение ядерных уровней космическим излучением 88
3.4. Определение интенсивности пика с энергией 478 кэВ и ограничение на массу аксиона 90
Заключение 96
Литература 99
- Возникновение аксиона в теории
- Общая методическая схема эксперимента
- Поток и энергетический спектр солнечных аксионов, резонансное поглощение аксионов
Введение к работе
Современная теория элементарных частиц и их взаимодействий хорошо описывает подавляющее большинство экспериментальных результатов. К нерешенным проблемам, таким как вопрос о природе холодной темной материи, ненаблюдаемые до сих пор частицы Хигтса и др., следует отнести и проблему отсутствия СР-несохранения в сильных взаимодействиях. Экспериментальный верхний предел для СР-несохраняюшего параметра составляет 9 < 10"9. Малое значение данной величины по сравнению с другими параметрами, входящими в лагранжиан квантовой хромодинамики (КХД), продолжает оставаться загадкой на протяжении нескольких десятилетий.
Наиболее естественное решение было предложено Печчеи (Peccei) и Квинн (Quinn) путем введения новой глобальной киральной симметрии, спонтанное нарушение которой при энергии /а позволяет точно скомпенсировать СР-несохраняющий член в лагранжиане КХД [']. Вайнберг [2] и Вилчек [3] показали, что спонтанное нарушение PQ-симметрии при энергии /а должно приводить к возникновению новой нейтральной псевдоскалярной частицы — аксиона.
В первоначальной модели «стандартного» аксиона предполагалось, что нарушение симметрии происходит на масштабе электрослабой шкалы /а ~ (GF ут ~ 250 ГэВ, при этом масса аксиона оказывалась порядка (0.1 - 1.0) МэВ. Существование "стандартного" аксиона, было надежно закрыто целой серией экспериментов, выполненных с искусственными радиоактивными источниками, на реакторах и ускорителях. В реакторных экспериментах и в экспериментах с искусственными радиоактивными источниками проводился поиск распада аксиона на два у-кванта, в ускорительных экспериментах пытались обнаружить распады К -мезонов (їС—їк+А) и тяжелых кваркониев с излучением аксиона (WJ^A+y.и
Г-їА+f), а также распады самого аксиона на электрон-позитронную пару (А->е++е).
Два класса новых теоретических моделей "невидимого" аксиона сохранили аксион в том виде, в каком он нужен для решения проблемы СР-сохранения в сильных взаимодействиях, и в тоже время подавили его взаимодействие с фотонами (gAY), лептонами (gAee) и адронами (gAN)- Это модели "адронного" или KSVZ-аксиона [4'5], в которых требуется существование более тяжелого кварка и "GUT" или DFSZ-аксиона [6'7], в которых введены добавочные хиггсовские поля. Масштаб нарушения симметрии fA 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, соответственно будет подавлено взаимодействие аксиона с веществом.
Данное обстоятельство служит основанием для продолжения экспериментального поиска псевдоскалярной частицы, слабо взаимодействующей с веществом, с массой от 10"12 эВ до десятков кэВ.
Другая причина интенсивных поисков аксиона 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.
Целью диссертационной работы является поиск излучения аксиона в ядерных переходах магнитного типа. В диссертации разработана методика обнаружения процесса излучения аксиона и методика регистрации резонансного поглощения аксиона.
Установки для поиска' редких низкоэнергетических процессов являются сложными приборами, ориентированными на решение конкретной задачи. Широкое распространение магистрально-модульных стандартов (САМАС, VME/VXI и др.) упростило создание аппаратной части автоматизации эксперимента и перенесло большую часть работ в область программного обеспечения. Физические установки, в силу поискового исследовательского характера, значительно отличаются друг от друга, что делает актуальной задачу создания программ on-line накопления и off-line обработки данных для каждой новой установки. В большинстве таких программ имеются сходные этапы: сбор экспериментальных данных, предварительная оперативная обработка, отображение получаемых результатов в удобной для экспериментатора форме и окончательная обработка данных. Однако из-за различия используемой аппаратуры, условий проведения поисковых экспериментов, программы, используемые на одной установке, для другой установки либо не могут быть использованы, либо имеют низкую эффективность. Поэтому, несмотря на наличие значительного количества разработанных алгоритмов, проблема методики создания эффективного алгоритма для конкретной физической установки всегда остается актуальной задачей.
Основные задачи диссертационной работы состояли в следующем:
1. Разработка методики и экспериментальной установки для поиска «невидимого» аксиона, излучаемого при ядерных магнитных переходах в изомерных ядрах.
2. Создание программного обеспечения к установке для поиска аксиона, излучаемого при М1-переходе изомерного ядра 125тТе. Проведение измерении спектров частиц, появляющихся при распаде ядра Ге, с помощью Ge-детекторов, обладающих 47г-геометрией и последующая математическая обработка полученных спектров с целью поиска вклада от излучения аксиона.
3: Разработка методики поиска солнечных аксионов, излучаемых в М1-переходе ядра 71Д, путем регистрации реакции резонансного поглощения аксионов.
Создание низкофоновой экспериментальной установки с Ge-детектором, включающей в себя мишень из LiOH, активную и пассивную защиту и регистрирующую электронную аппаратуру.
Разработка и создание пакетов программ для низкофоновой установки с Ge-детектором, позволяющих проводить длительные измерения и контролирующие работу Ge-детектора и активной защиты. Проведение математической обработки спектров, измеренных в совпадении и антисовпадении с активной защитой, заключающейся в поиске пика с энергией 478 кэВ, соответствующей энергии первого возбужденного уровня ядра 7Li.
В результате, в диссертационной работе получены следующие новые результаты:
1. Разработана и реализована оригинальная методика поиска "невидимого" аксиона, излучаемого при ядерных магнитных переходах в изомерных ядрах.
Создана экспериментальная установка и программное обеспечение, проведены измерения с помощью Ge-детекторов, обладающих 4тс-геометрией и обработаны спектры частиц, появляющихся при распаде ядра 125тТе. Получен новый экспериментальный предел на вероятность излучения аксиона в М1-переходе 125тТе, который составляет 8.510" распад"1 (90% у.д.).
Создана низкофоновая экспериментальная установка с Ge-детектором, включающая в себе активную и пассивную защиту, для регистрации реакции резонансного поглощения солнечных аксионов, излучаемых в М1-переходе ядра Li.
4. Разработаны пакеты программ, позволяющие проводить длительные измерения и контролирующие работу Ge-детектора и активной защиты. Проведена обработка спектров, измеренных в совпадении и антисовпадении с активной защитой, заключающаяся в поиске пика с энергией 478 кэВ, соответствующего первому возбужденному уровню ядра Li. Определена вероятность возбуждения первого уровня ядра Li мюонами и ядерно-активной компонентой космического излучения.
5. Получено новое ограничение на массу адронного аксиона, составляющее тА< 16 кэВ (90% у.д.). Данный результат является вдвое более строгим, чем полученный в предыдущих работах и практически закрывает окно возможных масс аксиона до значения энергии М1-перехода ядра Fe (14.4 кэВ), следующего возможного наиболее* интенсивного источника монохроматических солнечных аксионов.
Полученные данные по излучению аксиона в М1-переходе 125тТе внесены в таблицу «Axion and other light boson searches in nuclear transition», а по поиску солнечных аксионов в таблицу «Invisible axion limits from nucleon coupling» в издании Particle Data Group - "Review of Particle Physics, 2006".
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
В первой главе представлен обзор выполненных экспериментов по поиску аксиона. Вначале описаны основные процессы, в которых возможно обнаружить аксион, обусловленные его взаимодействием с фотонами, электронами и нуклонами. Подробно описаны эксперименты по поиску «стандартного» аксиона. Далее представлены результаты экспериментов по поиску «невидимого» аксиона, основанные на конверсии аксиона в фотон в лабораторном магнитном поле и конверсии солнечных аксионов в фотоны в поле кристалла. Рассматривается эксперимент, использующий обратный процесс - превращение фотонов лазерного пучка в ак'сионы. В заключении главы представлены астрофизические ограничения на массу аксиона.
Вторая глава посвящена поиску процесса излучения аксиона в М1-переходе ядра 5шТе. Описана общая методическая схема эксперимента, которая заключается в поиске недостающей энергии в спектре полного поглощения энергии для двух последовательных 7-переходов в изомерных -ядрах. Измерение спектра полной выделившейся энергии производится детекторами, обладающими 100% эффективностью регистрации. Аксион, покидающий детекторы без взаимодействия, уносит недостающую энергию. Обоснован выбор ядра 125тТе, обсуждается схема распада данного ядра. Измерены характеристики HPGe-детекторов, сборка которых регистрирует электроны и фотоны, возникающие при распаде ядра J mTe. Представлены результаты расчетов энергетического спектра, регистрируемого одним детектором. Описана электронная схема эксперимента и используемые электронные модули. Далее описаны программы накопления данных, которые были специально разработаны для данного эксперимента, обсуждаются результаты измерений и методы, используемые при обработке данных, используя которые получены ограничения на вероятность излучения аксиона в М1-переходе ядра "Те. В заключении главы проводится сравнение полученного результата с ожидаемыми теоретическими значениями, обсуждаются возможности повышения чувствительности эксперимента.
В третьей главе диссертации представлен эксперимент по поиску солнечных аксионов, излучаемых в МІ-переходе 7Li. Вначале рассмотрены основные солнечные реакции, которые могут приводить к большим потокам аксионов от Солнца. Представлены сечения резонансного поглощения аксионов. Подробно описана низкофоновая экспериментальная установка с Ge-детектором, включающая в себя пассивную и активную защиты. Представлена электронная схема эксперимента и созданные программы накопления данных. Измерения проводились в течение 126.5 суток "живого' времени, поэтому особое внимание уделено стабильности усиления в спектрометрическом тракте Ge-детектора и стабильности порога активной защиты. Приведены результаты измерения энергетического спектра Ge-детектора в совпадении и антисовпадении с активной защитой. В отдельном разделе представлены результаты по определению вероятности возбуждения ядерных уровней мюонами и ядерно-активной компонентой космического излучения. В заключительном разделе главы представлен метод обработки данных, заключающийся в поиске пика с энергией 478 кэВ и получено новое ограничение на массу адронного аксиона.
Основные результаты диссертационной работы кратко подытожены в заключении.
Возникновение аксиона в теории
Появление в теории аксиона, гипотетической псевдоскалярной частицы, связано с проблемой отсутствия СР-нарушения в сильных взаимодействиях или с проблемой, так называемого, 9-члена в лагранжиане квантовой хромодинамики (КХД). Обычный лагранжиан может быть дополнен 9-членом, представляющим собой взаимодействие глюонных полей G ap (названный 9-членом в соответствии с множителем), который является лоренц- и калибровочно-инвариантным и не нарушает перенормируемости теории .
Однако этот член является Р — и Т — нечетным, т.е. в сильных взаимодействиях при 9 0 должно наблюдаться СР- несохранение. Из экспериментального верхнего предела на величину дипольного электрического момента нейтрона (d 6.310"26 е см) [8 9], обнаружение которого означает существование СР-несохранения в сильных взаимодействиях, следует, что 6-член очень мал по сравнению с другими членами лагранжиана КХД: значение 0-члена не превышает величину 9 1(Г9.
Для разрешения этой загадки Печчеи и Квин [ ], предложили новую киральную симметрию U(l), спонтанное нарушение которой, как показали Вайнберг и Вилчек, должно приводить к существованию новой частицы -аксиона, [z 3] , а 9 -член оказывается точно равным нулю. Это достигается путем введения нового аксионного поля Фл, которое входит в лагранжиан следующим образом:
Общая методическая схема эксперимента
Аксион, как псевдоскалярная частица, может испускаться в ядерных переходах магнитного типа. Амплитуда этого процесса пропорциональна константе связи аксиона с нуклонами gA следовательно, вероятность излучения аксиона пропорциональна тА . Экспериментально выгоднее искать процесс излучения аксиона, чем регистрировать процессы взаимодействия аксиона с веществом или распады аксиона, поскольку в этих случаях общая вероятность наблюдения аксиона становится пропорциональна т/
Схема опыта представлена на рис. 12. Изомерное ядро распадается на основное состояние, излучая при этом два у-кванта с энергиями Ei и Ег. Представим, что источник радиоактивных ядер помещен в центр «идеального» детектора, обладающего 4тг-геометриеЙ, не имеющего нечувствительного объема и который имеет размеры, достаточные для полной регистрации излученных у-квантов, а также конверсионных электронов, рентгеновского излучения и Оже-электронов, которые сопровождают данный распад. В этом случае, в измеренном энергетическом спектре будет присутствовать только один монохроматический пик, с шириной определяемой разрешением используемых детекторов. Излучение "невидимого" аксиона в М-переходе с энергией Е2, покидающего детектор без взаимодействия, приведет к появлению пика с энергией Ej.
Поток и энергетический спектр солнечных аксионов, резонансное поглощение аксионов
Если аксион существует, Солнце является мощным источником данных частиц. Аксион может эффективно рождаться на Солнце за счет эффекта Примакова, приводящего к преобразованию фотонов в аксионы в электрическом поле плазмы [97]. Такие аксионы имеют среднюю энергию 4 кэВ и могут быть обнаружены в обратной реакции — конверсии аксиона в фотон в лабораторных магнитных полях или в поле кристалла. Спектр аксионов дается выражением [97 42]: dE.
На рис. 27 показан спектр аксионов, вычисленный для константы связи аксиона с фотоном gAy = 10"10 ГэВ 1. Можно видеть, что существующие верхние пределы на gA? 10 10-10 8 ГэВ 1 , приведенные на рис.8, соответствуют все еще огромному потоку аксионов на уровне 10п"1013 см с кэВ"1. Поиск данных аксионов является главной целью эксперимента CAST [40].
Спектр солнечных ахионов, рождающихся за счет эффекта Примакова, на поверхности Земли. Спектр вычислен для константы связи аксиона с фотоном равной gAy = 10 ю ГэВ . Прямой линией показана величина потока аксионов с энергией 14.4 кэВ, излучаемых в М1-переходе Fe, ядерный уровень которого возбуждается вследствие высокой температуры Солнца.
Другой источник солнечных аксионов - переходы магнитного типа в ядрах, низколежащие уровни которых возбуждаются за счет высокой температуры. Температура в центре Солнца составляет 1.5Ю7К(1.3кэВ), что приводит к возбуждению ядерных уровней некоторых ядер — Fe, 55Mn, 23Na и др. [и]. Поток аксионов ФА зависит от энергии уровня (Е7), температуры, времени жизни ядерного уровня (Tjj и распространенности изотопа на Солнце (N) [82 98]:
Для изотопа 57Fe, ожидаемый поток аксионов с энергией 14.4 кэВ составляет ФА 1.010 (тд) см" с" кэВ , если масса аксиона выражена в единицах эВ. Используя связь между тпА и константой связи аксиона с фотоном, определяемую выражениями (5) и (7), можно связать поток аксионов с константой gAr Для значения gAy Ю"10 ГэВ"1, величина потока с энергией 14.4 кэВ аксионов показана на рис.27. Эти аксионы могут быть обнаружены через резонансное поглощение в ядрах f98,99-100].
Схема электронного захвата Be + е — Li ( Li) + ve f ]. Наконец, еще один возможный источник аксионов - реакции солнечного цикла. На рис. 28 показана схема электронного захвата Be + е — Li ( Li ) + ve. Поток нейтрино, возникающих в данной реакции, на поверхности Земли составляет 4.8109 у/см2сек. С вероятностью 0.1 электронный захват идет на возбужденное состояние 1/2" ядра Li, которое разряжается у-квантом в переходе магнитного типа Ml. Поток аксионов прямо связан с потоком Ве-нейтрино, измерение которого является главной целью эксперимента Борексино [01]. Ожидаемый поток аксионов, испускаемых в данном переходе, сопоставим с потоками аксионов от ядерного реактора или искусственных радиоактивных источников. Попытка обнаружить данные аксионы была сделана в работе [ ].
