Диссертация (1145374), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Наиболее серьёзнымисточником ошибки в определении свободной циклотронной частоты являетсянегармоничность ловушки. В реальности представляет интерес не точностьопределения свободной циклотронной частоты, а точность определенияотношения свободных циклотронных частот реперного иона и иона, чью массунеобходимо определить. В случае двух ионов с близкими массами сдвигсвободной циклотронной частоты порядка 10-9 транслируется в сдвиготношения свободных циклотронных частот на уровне 10-10. Таким образом,методикаPI-ICRпозволяетпроводитьизмерениямасснуклидовсотносительной точностью порядка 10-10.Таблица 5.2: Эффекты, рассмотренные в данном разделе, которые могутприводить к ошибке в определении свободной циклотронной частоты иона.источник сдвига негармоничность потенциала ловушкинеоднородность магнитного полянеодновременное измерение начальной и конечной фазискажение проекции движения ионовконверсия циклотронного движения в магнетронное движениевеличина сдвига ∆ /< 10-9< 10-10< 10-10<< 10-10<< 10-105.4 Экспериментальная апробация методики PI-ICR на установкеSHIPTRAPЭкспериментальная апробация новой методики PI-ICR была проведена наустановкеSHIPTRAPпутёмопределенияотношенияRсвободной126циклотронной частоты однозарядных ионовчастоте однозарядных ионовXe к свободной циклотронной131Xe.
Данные изотопы были выбраны для132тестирования методики PI-ICR по следующим причинам. Во-вервых, ксенонявляется газом, т.е. можно получить стабильный пучок однозарядных ионовксенона с помощью достаточно простого ионного источника на основеэлектронного удара. Во-вторых, выбранные изотопы ксенона стабильны. Втретьих, ксенон достаточно тяжёлый газ, что важно, т.к. методику PI-ICRпланируется применять на установке SHIPTRAP для определения масс среднихи (сверх)тяжёлых нуклидов.
В-четвёртых, разница масс данных изотопов быланедавно определена с очень большой точностью, порядка 10 эВ, навысокопрецизионной криогенной установке FSU-Trap на основе ловушкиПеннинга [155, 156]. Данное измерение явилось репером для апробацииметодики PI-ICR. Тестирование методики PI-ICR проходило в два этапа. Напервом этапе в течении 10 часов проводилось измерение отношения R спомощью традиционной методики ToF-ICR (см. главу 2).
В течении следующихдесяти часов то же отношение R измерялось с помощью методики PI-ICR.Далее проводилось сравнение между собой точностей определения отношенияR, полученных с помощью данных двух методик, а также сравненияэкспериментальных данных с теоретическим предсказанием. На втором этапеотношение R измерялось с помощью методики PI-ICR в течении 12 дней.Полученное отношениеизотоповXe и132R пересчитывалось в разницу атомных массXe, которая, в свою очередь, сравнивалась с результатом,131достигнутым на установкеFSU-Trap. Целью второгоэтапа являлосьопределение максимально достижимой точности и аккуратности измеренияразности масс данных изотопов ксенона с помощью методики PI-ICR.Постановка эксперимента и анализ полученых данных аналогичны постановкеэксперимента и анализу данных по определению Q-значений β --распада 187Re иэлектронного захвата в 163Ho, а также измерению массы 48Са, которые детальноописываются в главе 6.
Поэтому детали измерения разницы масс изотоповксенона и анализа полученных данных здесь опущены.127На рисунке 5.11 приведены отношения R, измеренные с помощью методикиToF-ICR (а) и методики PI-ICR (б). Для измерения отношения R с помощьюметодики ToF-ICR требуется примерно в два раза больше времени, чем спомощью методики PI-ICR. Поэтому примерно за десять часов с помощьюметодики ToF-ICR было проведено 22 измерения отношения R, а с помощьюметодики PI-ICR за это же время отношение R было измерено 40 раз. Точностьопределения отношения R с помощью методики PI-ICR превосходит точностьопределения отношения R с помощью методики ToF-ICR примерно в 4.5 раза,что хорошо согласуется с теоретическими расчётами (см.
выражение 5.11).Рис. 5.11: Отношения R свободной циклотронной частоты однозарядныхионов 131Xe к свободной циклотронной частоте однозарядных ионов 132Xe,измеренных за одно и то же время с помощью методики ToF-ICR (а) иметодики PI-ICR (б).На рисунке 5.12 приведено сравнение разницы атомных масс ∆изотоповXe и132Xe, полученной с помощью методики PI-ICR на установке131SHIPTRAP, c разницей атомных масс ∆ изотопов 132Xe и 131Xe, полученнойна установке FSU-Trap.
∆ было определено с точностью порядка 32эВ. Разница между значениями, полученными, соответственно, на установкеSHIPTRAP и на установке FSU-Trap, составляет (8±35) эВ. Из этого можносделать вывод, что с помощью методики PI-ICR на установке SHIPTRAPможно проводить измерения масс тяжёлых нуклидов с точностью порядка128нескольких десятков эВ. Стоит подчеркнуть, что благодаря новой методикеPI-ICR впервые в мире было измерено с относительной точностью 2·10-10отношение свободных циклотронных частот однозарядных ионов двухтяжёлых нуклидов.Рис. 5.12: Сравнение разницы атомных масс ∆ изотопов 132Xe и 131Xe,полученной с помощью методики PI-ICR на установке SHIPTRAP, c разницейатомных масс ∆ изотопов 132Xe и 131Xe, полученной на установке FSUTrap.Разработанный метод может найти широкое применение на ионныхловушках Пеннинга, функционирующих в мире на различных пучках частиц.129Глава 6 Определение массы 48Ca, а также Q-значений β −распада 187Re и электронного захвата в 163Ho с помощьюметодики PI-ICR.Методика PI-ICR была успешно применена на установке SHIPTRAPдля измерения атомной массызначений β --распадазнание массыСа [75], а также для определения Q-48Re [73] и электронного захвата в187Ho [74].
Точное163Са было необходимо для эксперимента [75] по проверке48квантовой электродинамики в сильных электромагнитных полях посредствомизмерения гиромагнитных отношений атомных электронов в ионахиСа17+. Q-значения β --распада48187Re и электронного захвата вСа17+40163Hoпредставляют интерес для экспериментов MARE [157], ECHo [48], HOLMeS[47] и NuMECS [45, 46] по определению массы нейтрино с точностью порядка0.2 эВ.
Данная глава структурирована следующим образом. В разделе 6.1 даётсякраткий обзор измерения гиромагнитного отношения свободного и связанногоэлектрона для проверки квантовой электродинамики. Раздел 6.2 посвящёнпроблеме определения массы нейтрино из анализа процессов β --распада иэлектронного захвата. В разделе 6.3 приводится подробный анализ данных,полученных на установке SHIPTRAP по определению атомной массыQ-значенийβ --распадаRe и электронного захвата в18748Са иHo с помощью163методики PI-ICR.6.1 Гиромагнитное отношение электрона и квантовая электродинамикаКвантовая электродинамика (КЭД) является фундаментальной квантовойтеорией поля, описывающей взаимодействие фермионов с электромагнитнымиполями посредством обмена фотонами. На данный момент благодаря еёвысокой предсказательной способности КЭД рассматривается как наиболееуспешная теория в рамках Стандартной Модели элементарных частиц и130фундаментальных взаимодействий (СМ).
Формализм КЭД основывается надиаграммах Фейнмана. Сила взаимодействия в КЭД определяется такназываемой постоянной тонкой структуры ≈ 1/137. Благодаря малости этойпостоянной многие задачи в рамках КЭД успешно решаются с большойточностью методом теории возмущений.Запоследние60летпредпринималосьмногопопытокпроверкипредсказаний КЭД посредством измерения определённых физических величинс всё возрастающей точностью. Ни в одном эксперименте не было обнаруженоотклонения экспериментально измеренных величин от предсказанных КЭД.Тем не менее предполагается, что СМ, и следовательно КЭД, как неотъемлемаячасть СМ, не работает в области высоких энергий и сильных полей, т.к.является низко-энергетическим приближением более фундаментальной теории,описывающей все процессы во Вселенной с момента её рождения [158].
Такимобразом, важно экспериментально проверить степень применимости КЭД вэлектромагнитных полях различной силы в надежде обнаружить проявленияболее фундаментальной теории.Эксперименты по проверке КЭД свободных частиц демонстрируютудивительную предсказательную силу КЭД. Одним из наиболее высокопрецизионныхэкспериментоввданнойобластиявилосьизмерениегиромагнитного отношения g свободного электрона, проведённое в Гарварде(Harvard) группой под руководством профессора Габриэлзе (Gabrielse) [159].Полученное в данном эксперименте значение гиромагнитного отношения g expнаходится в согласии со значением g theo , полученным в рамках КЭД: −22ℎ −22= 1.159 652 180 73(28) ∙ 10−3 , [159]= 1.159 652 181 13(84) ∙ 10−3 .
[160, 161](6.1)(6.2)131Гиромагнитное отношение электрона является по сути коэффициентомпропорциональности между собственным магнитным моментом ⃗ электрона иего спином ⃗:⃗⃗ = − ,ℏ(6.3)где = (ℏ)/(2 ) – магнетрон Бора, и – соответственно заряд и массаэлектрона, ℏ - постоянная Планка. Согласно уравнению Дирака гиромагнитноеотношение электрона в однородном магнитном поле равно 2. Тем не менее вКЭД электрон взаимодействует с полным электромагнитным полем, созданнымсистемой магнитное поле + электрон, что приводит к изменению величиныгиромагнитного отношения.
В КЭД гиромагнитное отношение раскладываетсяв степенной ряд по постоянной тонкой структуры. Каждому члену рядасоответствует определённая диаграмма Фейнмана [162]. Доминирующимэффектом КЭД в расчёте g является собственная энергия электрона,представляющая собой энергию виртуального фотона, которым электронобменивается с магнитным полем. Следующими по значимости эффектамиявляются поляризация вакуума и рождение виртуальных пар лептон/антилептон.Особый интерес представляет измерение гиромагнитного отношенияэлектрона в очень сильных электрических полях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
