Автореферат (1145373), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Все нуклиды, чьи отношения масс были измерены врамкахпрограммыпопоиску резонансноусиленных0ν2EC-переходов,являютсястабильными. Для получения однозарядных ионов было использовано два источника: (1)ионный источник на основе электронного и (2) ионный источник на основе процессалазерной обдирки (laser ablation) [33]. Q-значения исследованных 0ν2EC-переходовопределялись с помощью методики ToF-ICR с точностью порядка 100 эВ.Из всех исследованных 0ν2EC-переходов на данный момент только безнейтринныедвойные электронные захваты в 152Gd и в 156Dy являются резонансно-усилеными.0ν2EC-переход 152Gd является 0+ → 0+ переходом на основное ядерное состояние. Факторвырождения этого перехода равен примерно 1 кэВ и таким образом этот переход толькочастично резонансно усилен.
Его ожидаемый минимальный период полураспада равный 1026лет, к сожалению, почти на один порядок величины длиннее, чем экпериментальноизмеренный нижний предел на эту величину для безнейтринного бета-распада 76Ge. Следуеттакже упомянуть, что содержание этого изотопа гадолиния в природной смеси составляетвсего примерно 0.2%. Таким образом, можно сделать вывод, что ни один из исследованных0ν2EC-переходов на ядерное основное состояние вряд ли составит достойную альтернативу,например, безнейтринному бета-распаду 76Ge в поиске безнейтринных бета процессов.Наиболее многообещающим для поиска безнейтринных бета процессов является двойнойэлектронный захват в 156Dy, чья схема распада показана на рисунке 3.19Рис.
3: Схема безнейтринного двойного электронного захвата в 156Dy. Показаны толькоядерные состояния в 156Gd со спинами I f ≤ 2 [34]. Резонансно-усиленные 0ν2EC-переходывыделены жирной линией.В данном нуклиде резонансно-усиленный безнейтринный двойной электронный захватможет идти на четыре ядерных возбуждённых состояния. 0ν2EC-переход на уровень сэнергией 2003.749(5) кэВ с фактором вырождения равным 40(100) эВ является полностьюрезонансно усиленным. К сожалению, данный 0ν2EC-переход идёт с изменением спина надве единицы и захватом M- и N-электронов, поэтому его ожидаемый период полураспадасущественно превышает 1030 лет.
0ν2EC-переход на уровень с энергией 1946.375(6) кэВ испином 1- также маловероятен из-за его малого ядерного матричного элемента. Такимобразом, практический интерес представляют оставшиеся два перехода на+уровни с-энергией/спином соответственно 1988.5(2) кэВ/0 и 1952.385(7) кэВ/0 . Для данных двухпереходов были рассчитаны минимальный и максимальный периоды полураспада,нормированные на эффективную майорановскую нейтринную массу, равную 1 эВ (таблица2).
Так как данные переходы идут без изменения значения спина, то они могут обладатьдостаточно большими ядерными матричными элементами. При расчёте периодовполураспада этих переходов для их ядерных матричных элементов было взято значение 2.5,что примерно соответствует ядерным матричным элементам на ядерное состояние со спином0+. Данное значение нужно рассматривать всего лишь как фактор нормировки, т.к. вреальности ядерные матричные элементы таких переходов могут быть значительно меньше.Их точный расчёт на данный момент не представляется возможным.20Таблица 2: Оценённые минимальные и максимальные периоды полураспада двухрезонансно-усиленных 0ν2EC-переходов в 156Dy.E γ / кэВминим.
период полураспада / годмакс. период полураспада / год241988.5(2)3·103·10291952.385(7)3·10288·1028Для 0ν2EC-перехода на уровень с энергией 1988.5(2) кэВ и спином 0+ не исключаетсяполное резонансное усиление в пределах двух экспериментальных ошибок. Если такойсценарий реализуется, то его период полураспада может быть порядка 1024 лет, что ненамного превышает ожидаемые периоды полураспада безнейтринных двойных бетараспадов. К сожалению, период полураспада этого 0ν2EC-перехода на данный моментможно определить только с большой неточностью из-за недостаточно точного знанияэнергии ядерного возбуждённого уровня, заселяемого в этом переходе, и невозможностинадёжной оценки его ядерного матричного элемента.Оценки периодов полураспада, приведённые в таблице 2, сделаны, исходя изпредположения, что безнейтринный двойной электронный захват вызывается массовыммеханизмом, то есть протекает в присутствии левовинтовых лёгких активных нейтрино.Расчёт полной вероятности процесса должен учитывать все возможные механизмы, еговызывающие [35].
Например, безнейтринный двойной электронный захват может протекатьв присутствии правовинтовых нейтрино с амплитудой, не зависящей от нейтринной массы,или может быть вызван обменом тяжёлых частиц. Также вероятное существование лёгкихстерильных нейтрино может увеличить эффективную майорановскую нейтринную массу, азначит и уменьшить ожидаемый период полураспада. Не исключается, что различныемеханизмы безнейтринного двойного электронного захвата могут действовать когерентно и,таким образом, приводить к интерференционным эффектам, способным существенноувеличить вероятность безнейтринного двойного электронного захвата.Таким образом, из всех рассмотренных 0ν2EC-переходов только безнейтринный двойнойэлектронный захват в156Dy можен считаться представляющим практический интерес дляпоиска безнейтринных двойных бета процессов.
Реализуемость эксперимента с этимнуклидом по поиску безнейтринных двойных бета процессов в большой степени зависит отнеизвестного пока ядерного матричного элемента и недостаточно точного знания энергиизаселяемого ядерного состояния. При условии полного резонансного усиления и значенияматричного элемента, превышающего 2, практическая реализуемость эксперимента с даннымнуклидом по поиску безнейтринных двойных бета процессов становится вполне возможной.21Глава 5 Фазовый метод определения свободной циклотронной частотыВ данной главе излагаются основные принципы фазового метода определения свободнойциклотронной частоты ν c иона в ловушке Пеннинга.
Этот метод был предложен, разработани введён в эксплутацию автором данной диссертации. Детальное описание методаопубликовано автором в [11]. В научной англоязычной литературе этот метод получилнаименование “phase-imaging ion-cyclotron-resonance technique” или сокращённо “PI-ICR”. Внастоящей диссертации этот метод обозначен как “методика PI-ICR”.Методика PI-ICR базируется на определении свободной циклотронной частоты ν c путёмизмерения полных фаз магнетронного и циклотронного движений (двух радиальныхсобственных движений иона в ловушке), накопленных за определённое время свободногодвижения иона в ловушке Пеннинга.
Измерение фаз происходит посредством проецированияположения иона в ловушке на позиционно-чувствительный детектор, расположенный на осиловушки в области слабого магнитного поля (рисунок 4).Рис. 4: Принцип измерения частоты магнетронного или циклотронного движения иона вловушке Пеннинга с помощью методики PI-ICR. Магнетронное или циклотронное движениеиона в поперечном среде к полю в ловушке (а) проецируется на позиционно-чувствительныйдетектор (б) с определённым увеличением G. Положения 1,2 и 3 в (а) и (б) являются,соответственно, центром, начальной и конечной фазами магнетронного или циклотронногодвижения.Схема измерения частоты магнетронного или циклотронного движения выглядитследующим образом.
Сперва ион захватывается в центре ловушки (положение 1 на рисунке4(а)). Далее, прилагая дипольное рч-поле с определённой начальной фазой на частотемагнетронного или циклотронного движения (в зависимости от того, частоту какогодвижения необходимо измерить), можно увеличить радиус данного движения иона доопределённого значения r (положение 2 на рисунке 4(а)). После этого, если иону позволитьсвободно двигаться в ловушке в течение определённого времени t, то радиальное движениеиона накопит полную фазу φ + 2πn = 2πνt (положение 3 на рисунке 4(а)).
φ является углом22между положениями 2 и 3, отсчитываемом относительно центра ловушки, n представляетсобой количество полных оборотов радиального движения за время t. Положения 1, 2 и 3названы, соответственно, центром, начальной и конечной фазами магнетронного илициклотронного движения. Частота определяется как =+22.(2)Для определения частоты ν положение центра, начальная и конечная фазы проецируются напозиционно-чувствительный детектор в виде микроканальных пластин, расположенный наоси симметрии ловушки в области слабого магнитного поля. При этом проецированиепроисходит с определённым коэффициентом увеличения G с сохранением (в идеальномслучае) угла φ между начальной и конечной фазами.Свободная циклотронная частота ν c определяется как сумма магнетронной частоты ν - ициклотронной частоты ν + .
На практике в данной методике представляют интерес две схемыопределения свободной циклотронной частоты: схема 1 подразумевает независимоеизмерение частот ν - и ν + , тогда как схема 2 предназначена для непосредственного измерениясвободной циклотронной частоты ν c . Основной является схема 2. Схема 1 даётопределённые преимущества при измерении очень близких нуклидных масс (массовыхдублетов), когда нет необходимости в прецизионном измерении магнетронной частоты ν - .В разделах 5.1 и 5.2 приводится описание основных принципов метода PI-ICR на примереиспользования для определения циклотронной частоты иона схемы 1 и схемы 2,соответственно.
Приводятся выражения для разрешающей способности и точности метода идаётся сравнение этого метода с времяпролётной методикой ToF-ICR – на сегодняшний деньосновного метода, используемого для определения масс короткоживущих нуклидов.Показано, что новый метод по сравнению с ToF-ICR при прочих равных условиях в 25 разбыстрее, обладает примерно в 40 раз более высокой разрешающей способностью и какминимум в 5 раз более чувствителен.Раздел 5.3 посвящён детальному исследованию эффектов, присущих PI-ICR методике,которые могут приводить к ошибке определения радиальных частот, и которые, такимобразом, определяют максимально достижимую точность определения радиальных частот, атакже предельную разрешающую способность PI-ICR методики на конкретной установке.В разделе 5.4 приводится описание экспериментальной апробации новой методики PI-ICR наустановке SHIPTRAP путём определения отношения R свободной циклотронной частотыоднозарядных ионов131Xe к свободной циклотронной частоте однозарядных ионов132Xe.Данные изотопы были выбраны для тестирования методики PI-ICR по следующимпричинам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
