Автореферат (Экспериментальное исследование процесса мюонного катализа dd-синтеза в газах D2, H2+D2 и HD), страница 5

Ещe одним плюсом методики ИК была возможность наблюдения и учёта фоновых событий поканалу pdµ →3 He(0,2 МэВ) + µ(5,3 МэВ), связанных с присутстсвиемпротия (на уровне ∼0,6%), а также событий от µ-захвата на примесях(в основном на азоте, имевшемся на уровне ∼10−6 ). Для этого давлениебыло выбрано равным ∼45 атм., вместо используемых ранее 91,6 атм.,что позволило уменьшить степень рекомбинации ионизации, увеличивминимальную регистристрируемою энергию 3 He до величины 0,5 МэВ.Появившееся окно (0,1 – 0,45 МэВ) использовалось для абсолютной калибровки и учета указанного фона. На Рис.

9 приведены типичные энергетический и временной спектры первых dd-синтезов при температуре45,3 K в газе D2 . Общая набранная статистика событий при указаннойтемпературе составила ∼1,6·105 . Следует отметить, что для построения временных распределений использовались только события 3 He иРис.

9: Пример энергетического и временного распределений событий синтеза в дейтерии. Пунктирные гистограммы и линии соответствуют фоновымсобытиям µ-захвата.183Heµ в интервале энергий 0,4 – 0,8 МэВ. Такой выбор имеет ряд преимуществ, поскольку малая длина трека у 3 He и 3 Heµ частиц приводитк малой длительности сигналов (<300 нс) и, как следствие, к маломумёртвому времени их анализа. Кроме того, этот канал регистрировалсяи нейтронными детекторами, что позволяло прокалибровать временноераспределение 3 He частиц, полученных в ИК.ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена анализу полученных экспериментальныхданных. Благодаря высокой интенсивности пучка мюонов ускорителяPSI был достигнут новый уровень точности в определении коэффициента прилипания мюонов ωdd . Для этого, как и в экспериментах 1981-1984 гг., использовался метод ”выжившего” мюона, основанныйна возможности ИК регистрировать последовательные циклы катализа от одного мюона.

Накопив спектр первых событий синтеза, можновыделить из него события, сопровождаемые последующим синтезом.Ясно, что в таком спектре будут отсутствовать события 3 Heµ, поскольку прилипшие мюоны не вызывают больше синтезов (см. Рис. 5). Посленормировки спектров и поканального вычитания было определено число событий 3 Heµ, а затем и коэффициент прилипания:ωdd = 0,1224±0,0006 при φ= 0,0837,ωdd = 0,1234±0,0007 при φ= 0,0485.На сегодняшний день полученные значения коэффициента прилипанияωdd остаются единственными в мире как по методу измерений, такРис. 10: Расчётная зависимость коэффициента прилипания ωdd в реакцииddµ в зависимости от плотности среды [13] и имеющиеся экспериментальныеданные. ПИЯФ-1984 и ПИЯФ-1996 – данные настоящей работы.19и по достигнутой точности.

Для сравнения можно отметить работу ОИЯИ 1990 года [12], в которой для определения коэффициентаприлипания при высоких плотностях (φ=0,367 и φ=0,883) использовался метод, основанный на измерении отношения выходов первых ивторых dd-синтезов, что позволяло избежать вычислений эффективности нейтронных счетчиков. При нормировке на один мюон выражение для определения ωdd имело вид: (1 - ωdd )=NF 2 /NF2 1 . Полученноеавторами [12] значение ωdd =0,118±0,025 можно считать удовлетворительно совпадающим с нашим результатом, однако невысокая точностьне позволяет использовать его для анализа зависимости коэффициентаприлипания от плотности среды, которую связывают с процессом реактивации (стряхивания) мюонов при торможении ионов 3 Heµ в среде.На Рис.

10 показана теоретическая зависимость конечного прилипанияωdd от плотности [13]. Как видно, наши данные хорошо совпадают срасчетами, но находятся в очень узком диапазоне плотностей. В этойсвязи повышение точности измерений при бо́льших φ имело бы принципиальное значение для проверки зависимости ωdd от плотности. Чтоже касается отмеченного совпадения теории и нашего эксперимента приφ=0,0485, то это указывает на правильность расчетов как начальногоприлипания, так и процесса стряхивания при движении мезоатомов всреде.

При этом надо отметить, что наш эксперимент отражает ситуацию с реактивацией мюонов при малых плотностях газа, когда стряхивание происходит из 1s-состояния в столкновениях невозбужденныхатомов 3 Heµ со средой. В случае dtµ катализа ситуация существенносложнее.Зарядовая асимметрия в ddµ катализе, впервые наблюденная в Гатчинских экспериментах, была детально исследована при анализе накопленных в PSI данных.

На Рис. 11 показана температурная зависимостьотношения выходов двух каналов dd-синтеза R(T) в газах D2 и HD. Полученный результат даёт уникальную возможность проследить за вкладами резонансного и нерезонансного механизмов в образовании молекул ddµ через измерение нового параметра, каким является отношениевыходов каналов dd-синтеза. Уменьшение отношения R(T) для чистогогаза D2 однозначно связывается с увеличением вклада S-волны, когдастановится преобладающим нерезонансный механизм образования молекул ddµ в состоянии с J=0.

Параметры нерезонансного механизмав наиболее ”чистом” виде проявились на молекулах HD, где значениеR(T) близко к единице и не меняется с температурой.20Обнаруженное в работе [9] и подтверждённое нашим экспериментом различие в выходахизотопически симметричных каналов в Р- волнесвязывают со структуройвысоколежащих уровнейв ядре 4 He.

Эта проблемабыл рассмотрена в работах В.А. Сергеева [14] ещёв 1972 году, где предполагалось существование новых J − , T =0 состоянийчетырехнуклонной системы, кулоновское смешивание которых с ранее известными уровнями поз- Рис. 11: Отношение выходов двух каналовволяло описать особенно- dd-синтеза R=N(3 He+n)/N(t+p) в газах D2 исти угловых распределе- HD как функция температуры среды. Сплошний продуктов dd-синтеза ная линия – результат фитирования данных,в P- cостоянии.

Позднее, полученных в газе D2 . Пунктирная линия – результат фитирования данных в HD с фиксиров работе [15] при проведеванным значением Rnr .нии фазового анализа ddрассеяния был обнаружен новый уровень отрицательной четности 1− сизоспином T =0 и энергией E=24,25 МэВ. Наличие этого уровня оказалось очень важным для рассмотрения физических причин аномальногоотношения каналов dd-синтеза. Дело в том, что рядом с ним находитсяуровень 1− с изоспином T =1 и энергией Е=23,64 МэВ. Поэтому кулоновское изоспиновое смешивание указанных уровней во входном каналеусиливается внешним кулоновским полем за счет близости уровня с противоположным изоспином в Р-волновом состоянии.

Указанный процессбыл рассмотрен Г.Хейлом в 1990 году [16] специально для оценки отношения выходов двух каналов dd-синтеза в системе 4-х нуклонов в состояниях L=1 и L=0. Было получено значение RL=1 =1,43 и RL=0 =0,886,что, как видно, очень близко к нашим значениям, полученным при фитировании зависимости R(T): RJ=1 =1,455 и RJ=0 =1,01. Таким образом,надежное выделение чистого P -состояния при резонансном образованииddµ молекул позволило подтвердить степень нарушения изотопическойсимметрии в реакции dd-рассеяния и способствовало исследованию но21вого возбужденного уровня в ядре 4 He.Параметры нерезонансного механизма образования ddµ молекул.

С момента открытия явления МК основным процессом образования мюонных молекул считался Оже процесс, при котором энергиясвязи молекул передавалась электрону конверсии. Скорость этого процесса по сравнению с обнаруженным позднее резонансным механизмомобразования ddµ молекул достаточно мала, о чем можно судить по данным работы [17]. Так, если сравнить скорости резонансного образования мезомолекул в газе D2 (∼2,7·106 c−1 ) и нерезонансного в газе HD(∼0,11·106 c−1 ) при Т=300 К, то вклад последней будет на уровне ∼4%.С понижением температуры вклад нерезонансного канала увеличивается, становясь основным при температуре ∼50 K, что требует его детального анализа. Поэтому, при реализации программы прецизионногоизмерения скорости образования ddµ молекул в D2 газе с целью последующего определения энергии слабосвязанного уровня ε11 , учет нерезонансного канала обязателен.

Для получения наиболее точных значенийпараметров ddµ катализа на молекулах HD нами использовалась газовая смесь с минимальной примесью дейтерия (D2 ∼0,8%) и высокойконцентрацией дейтероводорода (HD∼98%). В результате были впервыеизмерены все основные характеристики процесса в диапазоне температур от 50 К до 300 К: скорость образования ddµ молекул λHDddµ (T), скорость переворота спина λ21 и отношение каналов R(T) (см.