Диссертация (Измерение малых энергий бета-распада нуклидов с использованием ионных ловушек Пеннинга), страница 2

Достоверностьполученного значения энергии распада 123 Te подтверждается тем, что эти измерения произ­водились на установке Shiptrap, которая в ряде предыдущих экспериментов уже доказаласвою надежность и работоспособность как в режиме on-line, так и в off-line. Достоверностьполученного абсолютного значения массы 202 Tl подтверждается тем, что в измеренияхиспользовались три различных калибровочных источника, совокупность которых миними­зирует вклад возможной систематической ошибки.Апробация работы. Результаты работы были доложены на следующих конференци­ях и рабочих совещаниях:1.

«Ультрапрецизионное измерение разности масс 187 Re − 187 Os и ядерная космохро­нология». «КМУС 2014», г. Гатчина.2. «Измерение энергии распада 123 Te и его распад в звездных условиях ». «КМУС 2015»,г. Гатчина.3. «Низкоэнергетичная ядерная изомерия в астрофизике и космохронологии».Международная молодёжная конференция «ФизикА.СПб», Санкт-Петербург, 2016.4. «Penning trap mass spectrometry for neutrino physics». EURORIB-15, Honenda,Germany, 2015.5. «Масс-спектрометр PENTATRAP для задач нейтринной физики». Семинар отде­ления физики высоких энергий в НИЦ «Курчатовский Институт» ПИЯФ, апрель2017г.6. «Измерения малых энергий распада нуклидов для задач фундаментальной физи­ки».

Семинар отделения физики высоких энергий в НИЦ «Курчатовский Институт»ПИЯФ, февраль 2018г.Основные положения, выносимые на защиту:1. Результат эксперимента на Shiptrap по прямому измерению разности масс 187 Re −187Os: = 2.492(33) кэВ. Полученный результат разрешил давнюю загадку плохосогласующихся -значений 187 Re, полученных в разных экспериментах и разными7методами, показывая, таким образом, перспективность использования метода крио­генной микрокалориметрии для определения массы нейтрино;2.

Результат эксперимента на Isoltrap по измерению массы 202 Tl, на основании которо­го определена разница масс 202 Pb − 202 Tl: = 38.8(43) кэВ. Полученный результатпозволил выявить, что β-спектр 202 Pb не обладает высокой чувствительностью кмассе нейтрино, а потому использование 202 Pb для определения массы нейтрино неявляется целесообразным;3. Результат эксперимента на Shiptrap по прямому измерению разности масс 123 Te −123Sb: = 51.912(67) кэВ.

С использованием полученного значения показано силь­ное, на несколько порядков величины, сокращение периода полураспада 123 Te ввысокотемпературных звездных условиях;4. Предложение и анализ возможностей поиска сигнала от кэВных стерильных нейтри­но в спектре ε-захвата при помощи совместных экспериментов, использующих методболометрии и ионной масс-спектроскопии.Личный вклад.1. Модернизация системы Shiptrap для измерения в режиме off-line малых значенийразностей масс нуклидов (малых энергий распадов):– установка и настройка Nd:YAG лазера совместно с фокусирующей оптиче­ской системой для получения ионов путем лазерной абляции,– установка и настройка шагового электромотора для удаленного управленияманипулятором держателя столика с мишенными образцами,2.

Непосредственное участие в настройке и проведении эксперимента на Shiptrap поизмерению разности масс 187 Re − 187 Os;3. Подготовка, проведение и обработка полученных данных в эксперименте по измере­нию разницы масс 123 Te − 123 Sb, произведённых лично автором.4.

Проведение эксперимента на установке Isoltrap по измерению массы нуклида 202 Tlи обработка полученных данных.Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 5 рецензируемыхпечатных изданиях [4—8], индексируемых в базах данных РИНЦ, Web of Science и Scopus.Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заклю­чения и одного приложения. Полный объём диссертации составляет 99 страниц, включая51 рисунок и 7 таблиц. Список литературы содержит 130 наименований.Во введении обосновывается актуальность исследований, проводимых в рамках дан­ной диссертационной работы, формулируется цель, ставятся задачи работы, излагаетсянаучная новизна и практическая значимость представляемой работы.Первая глава посвящена описанию ряду физических задач, где малые энергииβ-распада нуклидов играют важную роль.

Одной из таких задач, описанной в разделе 1.1является проблема массы и типа нейтрино. Другой такой задачей, приведенной в разделе1.2, является определение путей протекания и свойств процессов нуклеосинтеза в звездах.Вторая глава посвящена описанию основ работы ловушки Пеннинга. Сначала, в раз­деле 2.1 приводятся основы идеальной ловушки Пеннинга, затем в разделе 2.2 – реальной. В8разделе 2.3 раскрываются три различных принципа измерения циклотронной частоты вра­щения иона в ловушке Пеннинга.Третья глава посвящена описанию двух масс-спектрометров Shiptrap (ГСИ,Дармштадт, Германия) и Isoltrap (ЦЕРН, Женева) на которых были произведены измере­ния масс нуклидов, рассматриваемых в данной работе.

Приведены основные характеристикии рассмотрены узловые элементы каждого из спектрометров.В четвертой главе приводится процедура подготовки и проведение измерений масснуклидов на спектрометрах Shiprap и Isoltrap.В пятой главе приводятся результаты исследования и делаются соответствующие вы­воды. В разделе 5.1 описывается эффект зависимости времен жизни нуклида от температурызвездной среды. Представлен список нуклидов с малыми энергиями распада, чей период по­лураспада подвержен влиянию высокой температуры. В разделе 5.2 приводится результатизмерения -значения 123 Te [7]. Оно оказалось равным = 51.912(67) кэВ. На основанииэтого результата и вышеуказанного эффекта зависимости времен жизни нуклида от высо­кой температуры делается вывод о том, что при типичной температуре -процесса в 3 · 108K период полураспада 123 Te может сократиться вплоть до 103 лет, что более чем на 14 по­рядков величины отличается от его периода полураспада в земных условиях.

В разделе5.3 описываются способы датирования астрофизических объектов при использовании па­ры 187 Re − 187 Os. Указывается на наличие эффекта изменения периода полураспада 187 Reв звездах [4], что нужно учитывать при использовании пары 187 Re − 187 Os как космохро­нометра. В разделе 5.4 обсуждается использование нуклида 187 Re для определения массынейтрино. Описывается проблема несогласованности результатов измерений граничной энер­гии β-спектра 187 Re, полученных при экстраполяции графика Ферми-Кюри к оси абсцисс.

Вразделе 5.5 на основе полученного нами на установке Isoltrap абсолютного значения массы202Tl (∆ = −25980.2(16) кэВ) было определено -значение 202 Pb [5], равное = 38.8(43)кэВ. Полученный нами результат однозначно указал на то, что 202 Pb как альтернативныйкандидат для определения массы нейтрино сильно уступает по своим возможностям нуклиду163Ho, который на сегодняшний день остается наилучшим кандидатом в секторе ε-захвата.В разделе 5.6 изложена впервые предложенная нами идея [6] поиска сигнала от присут­ствия стерильных нейтрино в спектре ε-захвата с помощью сочетания метода болометриии ионной масс-спектроскопии.

Приведены оценки чувствительности метода к обнаружениюстерильного нейтрино.В заключении подытожены результаты и обозначены дальнейшие перспективы раз­вития ловушек Пеннинга для решения задач фундаментальной физики.В аппендиксе представлены схемы β-распадов всех нуклидов, обсуждавшихся в раз­деле 5.1, чьи времена жизни сильно подвержены влиянию высокотемпературных звездныхусловий.9Глава 1.

Использование малых энергий β-распада нуклидов внекоторых задачах фундаментальной физикиВ данной главе будет представлен ряд задач фундаментальной физики, в которыхмалые энергии распада нуклидов (до ∼ 100 кэВ) играют ключевую роль. Так, в областинейтринной физики малые энергии необходимы для достижения наибольшей чувствительно­сти к массе электронного нейтрино. В области астрофизики нуклиды, обладающие малымиэнергиями распада могут приводить к ветвлениям в путях протекания -процесса нуклеосин­теза в звездах.

Учет таких эффектов дает нам, например, более правильную интерпретациюнаблюдаемых распространенностей элементов во Вселенной, или более точное определениесамого возраста Вселенной.Поскольку далее будет много говориться об энергиях и массах частиц, стоит сразуусловиться о терминологии. Знаменитый закон Эйнштейна гласит, что энергия равна мас­се с точностью до константы: = 2 , где – скорость света в вакууме. В ядернойфизике общепринятой единицей измерения энергии является электрон-вольт (эВ). В этихтерминах единицей измерения массы (или полной энергии связи нуклида) является элек­трон-вольт, деленный на скорость света в квадрате, или коротко эВ/2 .

Однако зачастую,там, где это не вызывает двусмысленности, коэффициент 2 опускается, и просто говорится,что масса измеряется в эВ.Еще одним важным определением, которое будет часто использоваться в дальнейшемявляется определение полной энергии β-распада.

Из закона сохранения энергии следует, чтополная энергия распада нуклида в точности равна разнице масс всех частиц в начальном иконечном состояниях. Так, для энергий β-распада, выраженных через массы атомов имеем:β− = ат (,) − ат (, + 1),β+ = ат (,) − ат (, − 1) − 2 ,(1.1)ε = ат (,) − ат (, − 1).а для энергий β-распада, выраженных через массы ядер имеем:β− = яд (,) − яд (, + 1) − ,β+ = яд (,) − яд (, − 1) − ,(1.2)ε = яд (,) + − яд (, − 1),Из формулы 1.1 видно, что, например, полная энергия распада – -значение – β− -распадаи ε-захвата определяются только разностью масс дочернего и материнского атомов.

Такимобразом, измерение разницы масс дочернего и материнского атомов является прямым спо­собом определения полной энергии распада нуклида.101.1Проблема массы и типа нейтриноНаиболее интригующей и в то же время одной из самых непростых задач в современнойфизике является определение массы покоя нейтрино1 . Масса нейтрино играет большую рольв различных областях физики элементарных частиц, а также в области астрофизики и кос­мологии. До недавнего времени масса нейтрино в Стандартной Модели элементарных частицпредполагалась строго равной нулю.

Однако, современные исследования нейтрино испускае­мых Солнцем [9], а также нейтрино образованных в атмосфере Земли [10], свидетельствуют оналичии нейтринных осцилляций, что в свою очередь является уверенным доказательствомналичия ненулевой массы у нейтрино. Нейтринные осцилляции означают, что пока нейтринолетит от источника до детектора, оно из одного своего сорта, скажем мюонного нейтрино νµ ,с некоторой вероятностью трансформируется в какое-нибудь другое нейтрино из оставшихсядвух возможных сортов – электронное нейтрино ν или тау-нейтрино ντ .