Диссертация (Измерение малых энергий бета-распада нуклидов с использованием ионных ловушек Пеннинга)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиФилянин Павел ЕвгеньевичИзмерение малых энергий β-распада нуклидов сиспользованием ионных ловушек ПеннингаСпециальность 01.04.16 —«Физика атомного ядра и элементарных частиц»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор ф.-м. наук, проф.Новиков Ю. Н.Санкт-Петербург — 20182ОглавлениеСтр.Введение . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4Глава 1. Использование малых энергий β-распада нуклидов в некоторыхзадачах фундаментальной физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.1 Проблема массы и типа нейтрино . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .1.1.1 3 H, 163 Ho и 187 Re как классические нуклиды для определенияэффективной массы нейтрино . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.1.2 Поиск новых кандидатов для определения ν . . . . . . . . . . . . . . .1.1.3 Стерильные нейтрино . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .1.2 Задача по определению путей протекания и свойств процессов нуклеосинтеза1.2.1 s-процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2.2 r -процесс . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111516192224Глава 2. Физические свойства, лежащие в основе работы ловушки2.1 Идеальная ловушка Пеннинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1.1 Траектория и частоты движения частицы . . . . . . . . . . .2.1.2 Энергия заряженной частицы в ловушке Пеннинга . .

. . . .2.1.3 От циклотронной частоты к массе . . . . . . . . . . . . . . . .2.2 Реальная ловушка Пеннинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.1 Флуктуации магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.2 Несоосность электрического и магнитного полей . . . . . . .2.2.3 Негармоничность электростатического потенциала . . . .

. .2.2.4 Неоднородность магнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . .2.2.5 Другие эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3 Методы измерения циклотронной частоты . . . . . . . . . . . . . . .2.3.1 Время-пролетный метод ToF-ICR . . . . . . . . . . . . . . . .2.3.2 Метод фазового отображения PI-ICR . .

. . . . . . . . . . . .2.3.3 Метод Фурье-преобразования FT-ICR . . . . . . . . . . . . .282828323334353536363738383942Пеннинга. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .910Глава 3. Масс-спектрометры с ловушкой Пеннинга .

. . . . . . . . . . . . . . .3.1 Shiptrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2 Isoltrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .444448Глава 4. Эксперименты по измерению масс нуклидов на ShiptrapIsoltrap . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1 Определение -значений 123 Te, 163 Ho и 187 Re на Shiptrap . . . . . .4.2 Измерение массы 202 Tl на Isoltrap . . . . . . . . . . . . . . . . . . .535458и. . . . . .. . . . . .. . . . . .3Стр.Глава 5. Результаты и выводы . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.15.25.35.45.55.6Зависимость времен жизни ряда нуклидов от температуры . . . . . . . . . . .Нуклид 123 Te и его электронный захват в звездах . . . . . . . . . . . . . . . . .Нуклид 187 Re для ядерной космохронологии . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .Нуклид 187 Re для определения массы нейтрино . . . . . . . . . . . . . . . . . .Нуклид 202 Pb и другие возможные кандидаты для определения массы нейтриноИдея поиска стерильных нейтрино в ε-захвате . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63636466707273Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .79Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82Приложение А. Схемы распадов некоторых нуклидов, представляющихастрофизический интерес . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .914ВведениеАктуальность темы. На сегодняшний день ионные ловушки играют важную роль вомножестве научных экспериментов, нацеленных на исследование фундаментальных законовприроды. Внедренные в физику еще в конце прошлого столетия и активно развивающиесяв последнее время, ионные ловушки доказали свою состоятельность в определении осно­вополагающих свойств атомных систем и элементарных частиц, а особенно в определениитакого их свойства как масса. Наилучшим показателем по точности измерения масс заря­женных частиц обладает такой тип ловушки, в которой частица удерживается в комбинацииквадрупольного электрического и однородного магнитного полей – так называемая ловушкаПеннинга. Именно этот тип ионных ловушек использовался для определения масс нуклидов,рассматриваемых в данной диссертации.Масса, являясь фундаментальным свойством атомов и элементарных частиц, позволя­ет решить широкий круг физических задач.

Так, важнейшей задачей в области нейтриннойфизики является определение массы нейтрино. Являясь нейтральной частицей, нейтрино неможет быть удержано и напрямую исследовано в ионных ловушках. В то же время, нейтри­но может рождаться в процессе слабого взаимодействия – β-распаде, а детальное изучениеспектра β-распада является наименее модельно-зависимым способом определения массы ней­трино. В этом случае наибольший интерес вызван к нуклидам с малой энергией β-распада:до ∼ 100 кэВ. Таким образом, поиск нуклидов с соответствующими критериями для разныхтипов β-превращений является актуальной задачей.

С этой целью нами были выполненыon-line измерения массы 202 Tl, на основании которых были сделаны выводы о том, являетсяли 202 Pb альтернативным кандидатом для изучения спектра его ε-захвата с целью опреде­ления массы нейтрино.Нуклидом с наименьшей энергией распада = 2.5 кэВ в секторе β− -распада является187Re . За последние 50 лет было выполнено 7 экспериментов по набору его β− -спектра, вкаждом из которых было получено граничное значение энергии спектра.

Не все полученныерезультаты, однако, согласуются между собой. С целью разрешения данной проблемы намибыли предприняты прямые независимые измерения -значения 187 Re, то есть разницы масс187Re − 187 Os. Полученный нами результат разрешил этот актуальный вопрос и показал пер­спективность использования криогенных микрокалориметров в дальнейших исследованияхдля определения массы нейтрино.Обозначенные выше проблемы нейтринной физики касаются определения массы ак­тивного нейтрино, подчиняющегося слабому взаимодействию, описываемому СтандартнойМоделью элементарных частиц.

Однако в последнее время активно обсуждается возмож­ность существования так называемого стерильного нейтрино с массой в диапазоне от ∼ 1 кэВдо нескольких десятков кэВ [1]. Существование таких частиц могло бы объяснить нали­чие Темной Материи во Вселенной. Нами был предложен способ обнаружения стерильных5нейтрино в спектре ε-захвата при помощи метода криогенной микрокалориметрии с ис­пользованием результатов ионной масс-спектрометрии. Важным критерием к нуклидам дляизучения их спектра ε-захвата является все та же малая (до ∼ 100 кэВ) энергия их распада.Определение путей протекания астрофизических процессов нуклеосинтеза и исследова­ние свойств этих процессов является еще одной актуальной проблемой современной физики.Так, при определении пути протекания -процесса (медленного захвата нейтронов) к нукли­дам с малыми энергиями распада уделяется особое внимание. Путь -процесса зависит отбаланса между сечением захвата нейтронов и вероятностью β-распада каждого из рассмат­риваемых нуклидов.

Проблема заключается в том, что для нуклидов с малыми энергиямираспада вероятность их β-переходов может существенно изменяться при больших температу­рах, то есть сильно отличаться от той, которая измерена в лабораторных условиях.

Введениесоответствующих поправок на высокотемпературный эффект основывается, в том числе, и наточном и достоверном знании полной энергии распада таких нуклидов, что на сегодняшнийдень могут обеспечить только ионные ловушки Пеннинга.Целью данной работы является высоко прецизионное измерение как абсолютныхзначений масс нуклидов, так и их разностей при помощи ловушек Пеннинга для задач ней­тринной физики и ядерной астрофизики.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие техническиеи методические задачи:– переоборудование и настройка масс-спектрометра Shiptrap для работы в off-lineрежиме,– подготовка и настройка масс-спектрометра Isoltrap для измерений в режиме on­line.Научная новизна: проведение полномасштабного off-line эксперимента по прямому из­мерению масс нуклидов с использованием фазового метода регистрации PI-ICR на установкeShiptrap, изначально предназначенной для on-line исследований.

Впервые была измеренаразница масс 123 Te − 123 Sb и 187 Re − 187 Os, а также абсолютное значение массы 202 Tl. Напримере нуклида 123 Te показано значительное, на много порядков величины, уменьшениевремени жизни нуклида в высокотемпературных астрофизических условиях по сравнению сземными условиями.

Впервые продемонстрирована возможность метода совместного исполь­зования калориметров и ловушек Пеннинга для поиска стерильного нейтрино.Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что– подтверждена правильность измерений малой граничной энергии β-распада методоммикрокалориметрии, что свидетельствует об отсутствии значимых систематическихсдвигов этих значений и открывает зелёную дорогу для использования этого методав экспериментах по определению абсолютной массы нейтрино;– продемонстрированный эффект изменения времени жизни 123 Te в высокотемпера­турных звездных условиях в дальнейшем был использован для описания процессаядерного синтеза изотопов теллура 122−124 Te в ходе -процесса в звездах [2]. Этотрезультат, так же, как и в случае нуклида 187 Re, свидетельствует о необходимостипроверки наличия такого сильного эффекта сокращения времени жизни и у других6долгоживущих нуклидов с целью создания в будущем карты времён их жизни в аст­рофизических условиях;– полученное значение полной энергии распада 202 Pb позволило исключить этот нук­лид из рассмотрения его как альтернативного кандидата для определения массынейтрино;– продемонстрированная на качественном уровне чувствительность предложенного на­ми способа к детектированию присутствия стерильного нейтрино в дальнейшемможет помочь в проектировании соответствующего эксперимента для обнаруженияэтой частицы;– полученные в данной работе масс-спектроскопические значения включены в общуюбазу ядерных данных [3].Достоверность полученного значения энергии распада 187 Re подтверждается тем,что это значение хорошо согласуется с тремя последними более точными (однако косвен­ными) измерениями этой энергии методом криогенной микрокалориметрии.