Автореферат (1145373), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Во-первых, ксенон является газом, т.е. можно получить стабильный пучок23однозарядных ионов ксенона с помощью достаточно простого ионного источника на основеэлектронного удара. Во-вторых, выбранные изотопы ксенона стабильны. В-третьих, ксенондостаточно тяжёлый газ, что важно, т.к. методику PI-ICR планируется применять дляопределения масс средних и (сверх)тяжёлых нуклидов.
В-четвёртых, разница масс данныхизотопов была недавно определена с очень большой точностью, порядка 10 эВ, навысокопрецизионной криогенной установке FSU-Trap на основе ловушки Пеннинга [36, 37].Данное измерение явилось репером для апробации методики PI-ICR. Тестирование методикиPI-ICR проходило в два этапа. На первом этапе в течении 10 часов проводилось измерениеотношения R с помощью традиционной методики ToF-ICR. В течении следующих десятичасов то же отношение R измерялось с помощью методики PI-ICR.
Далее проводилосьсравнение между собой точностей определения отношения R, полученных с помощью этихдвухметодик,атакжесравненияэкспериментальныхданныхстеоретическимпредсказанием. На втором этапе отношение R измерялось с помощью методики PI-ICR втечении 12 дней. Полученное отношение R пересчитывалось в разницу атомных массизотопов 132Xe и 131Xe, которая, в свою очередь, сравнивалась с результатом, достигнутым наустановке FSU-Trap. Целью второго этапа являлось определение максимально достижимойточности и аккуратности измерения разности масс данных изотопов ксенона с помощьюметодики PI-ICR.На рисунке 5 приведены отношения R, измеренные с помощью методики ToF-ICR (а) иметодики PI-ICR (б). Для измерения отношения R с помощью методики ToF-ICR требуетсяпримерно в два раза больше времени, чем с помощью методики PI-ICR.
Поэтому примерноза десять часов с помощью методики ToF-ICR было проведено 22 измерения отношения R, ас помощью методики PI-ICR за это же время отношение R было измерено 40 раз. Точностьопределения отношения R с помощью методики PI-ICR превосходит точность определенияотношения R с помощью методики ToF-ICR примерно в 4.5 раза, что хорошо согласуется стеоретическими расчётами.24Рис. 5: Отношения R свободной циклотронной частоты однозарядных ионов 131Xe ксвободной циклотронной частоте однозарядных ионов 132Xe, измеренных за одно и то жевремя с помощью методики ToF-ICR (а) и методики PI-ICR (б).иНа рисунке 6 приведено сравнение разницы атомных масс ∆ изотопов132Xe131Xe, полученной с помощью методики PI-ICR на установке SHIPTRAP, c разницейатомных масс ∆ изотопов 132Xe и 131Xe, полученной на установке FSU-Trap.
∆было определено с точностью порядка 32 эВ. Разница между значениями, полученными,соответственно, на установке SHIPTRAP и на установке FSU-Trap, составляет (8±35) эВ. Изэтого можно сделать вывод, что с помощью методики PI-ICR на установке SHIPTRAP можнопроводить заслуживающие доверие измерения масс тяжёлых нуклидов с точностью порядканескольких десятков эВ. Стоит подчеркнуть, что благодаря новой методике PI-ICRвпервые было измерено с относительной точностью 2·10-10 отношение свободныхциклотронных частот однозарядных ионов двух тяжёлых нуклидов.25Рис. 6: Сравнение разницы атомных масс ∆ изотопов 132Xe и 131Xe, полученной спомощью методики PI-ICR на установке SHIPTRAP, c разницей атомных масс ∆изотопов 132Xe и 131Xe, полученной на установке FSU-Trap [36, 37].Разработанный метод может найти широкое применение на ионных ловушках Пеннинга,функционирующих в мире на различных пучках частиц.Глава 6 Определение массы 48Ca, а также Q-значений β −-распада 187Re и электронногозахвата в 163Ho с помощью методики PI-ICRДанная глава посвящена успешному применению метода PI-ICR для измерения атомноймассыв48Са, а также для определения Q-значений β - -распада163всильныхСа было необходимо для проверки квантовойэлектромагнитныхгиромагнитных отношений атомных электронов в ионахраспадаRe и электронного захвата48Ho.
Точное знание массыэлектродинамики187187Re и электронного захвата вполях40посредствомСа17+ иизмерения48Са17+. Q-значения β - -163Ho представляют интерес для экспериментов поопределению массы нейтрино.В разделе 6.1 даётся краткий обзор измерения гиромагнитного отношения свободного исвязанного электрона для проверки квантовой электродинамики. Квантовая электродинамика(КЭД) является фундаментальной квантовой теорией поля, описывающей взаимодействиефермионов с электромагнитными полями посредством обмена фотонами.
На данный моментблагодаря её высокой предсказательной способности КЭД рассматривается как наиболееуспешная теория в рамках Стандартной Модели элементарных частиц и фундаментальныхвзаимодействий (СМ). В рамках проверки КЭД особый интерес представляет измерениегиромагнитного отношения электрона в очень сильных электрических полях.
Естественнымисточником таких полей являются ядра нуклидов. Измерениями гиромагнитного отношениясвязанного электрона в различных нуклидах занимается группа в университете города Майц(Mainz), в Германии [38]. В данном эксперименте производится измерение Ларморовскойчастоты прецессии спина связанного электрона в сильном однородном магнитном поле(3.7 Тл). Величина магнитного поля определяется посредством измерения свободнойциклотронной частоты иона с массой и зарядом q, в котором находится связанныйэлектрон. Гиромагнитное отношение связанного электрона выражается черезследующим образом: = 2 ∙ ∙ Γ= . и (3)Таким образом, для того чтобы определить гиромагнитное отношение с большой точностью,необходимо знать массу исследуемого нуклида также с большой точностью.
Недавно группа26из Майнца определила разницу гиромагнитных отношений электронов Δ в литийподобныхионах 40Ca17+ и 48Ca17+:Γ�40Атомные массы40Са и48Δ = 17+��40 17+�Γ�48− 17+��48 17+�.(4)Са были известны к началу нашего измерения с относительнойточностью соответственно 5·10-10 и 2·10-9 [29]. Вкладом автора диссертации в данныйэксперимент является определение атомной массы 48Са с точностью, сравнимой с точностью,с которой известна атомная масса 40Са.Раздел 6.2 посвящён проблеме определения массы нейтрино из анализа процессов β -распада 187Re и электронного захвата в 163Ho.β − - распад187Re представляет собой уникальный запрещённый β-переход с оченьбольшим временем жизни порядка 4.3·1010 лет.
В данных процессах ядро187Re испускаетэлектрон и антинейтрино. Так как этот процесс является трёхчастичным, то энергетическийспектр испущенного электрона является непрерывным (рисунок 7).Рис. 7: Форма энергетического спектра электрона, испущенного в процессеβ−распада 187Re. Масса нейтрино влияет на форму конечной, высокоэнергетической, частиспектра.Масса нейтрино определяется из анализа формы непрерывного спектра энергиииспущенного электрона. Наиболее чувствительной к массе нейтрино частью спектраявляется высокоэнергетическая область на конце спектра. Если бы нейтрино былибезмассовыми частицами, то спектр заканчивался бы в точке, соответствующей Q-значениюβ − - распада.
В реальности конец спектра отстоит от данной точки на значение нейтринноймассы. Определение массы нейтрино происходит из анализа формы спектра. При этом27необходимо знать Q-значение процесса с абсолютной точностью, как минимум, сравнимой сжелаемой точностью определения массы нейтрино.Альтернативой β − - распаду187Re при определении массы нейтрино является процессзахвата ядром одного из атомных электронов с испусканием нейтрино (EC-переход) в 163Ho.Анализу подвергается спектр полной энергии разрядки возбуждённой атомной оболочкидочернего нуклида163Dy.
Данный спектр имеет вид набора дискретных пиков,соответствующих захвату электронов с разных атомных уровней (рисунок 8).Рис. 8: Спектр полной энергии разрядки возбуждённой атомной оболочки дочернего нуклидаэлектронного захвата. Различные пики соответствуют захвату электронов с различныхатомных уровней. Ширина пиков определяется временем жизни возбуждённой атомнойоболочки дочернего нуклида.Линии имеют форму Брайт-Вигнера (Breit-Wigner). Их ширина определяется временемжизни возбуждённой атомной оболочки дочернего нуклида. Как и в случае с β − - распадоммасса нейтрино определяется из анализа формы спектра, при этом Q-значение процессанеобходимо знать с абсолютной точностью, сравнимой с желаемой точностью определениямассы нейтрино.Высокопрецизионные измерения Q-значений β − - распадав187Re и электронного захвата163Ho являются делом будущего.
Тем не менее, уже сейчас в процессе подготовкиэкпериментов по oпределению массы нейтрино необходимо знать Q-значения β − распада187Re и электронного захвата в163Ho с точностью порядка нескольких десятков эВ.Во-первых, статистическая точность определения массы нейтрино, достижимая в данныхэкспериментах при заданных экспериментальных параметрах, и, следовательно, требуемыймасштаб эксперимента предопределяется Q-значением исследуемых процессов. Во-вторых,возможное значительное отличие Q-значений, определённых из анализа β − - распада 187Re иэлектронного захвата в163Ho методами микрокалориметрии от Q-значений этих процессов,28измеренныхспомощьюмасс-спектрометрии,можетсигнализироватьоналичиипотенциальных источников систематических ошибок, присущих методике криогенноймикрокалориметрии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
