Диссертация (1145374), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Проект KATRIN по сути является значительно увеличенной вразмере версией эксперимента “Troitsk ν-mass“. В данном проекте массаантинейтриноопределяетсяспомощьюмагнитно-электростатическогоанализатора (MAC-E filter), позволяющего с большой точностью определятьэнергии электронов, испускаемых в процессе β − - распада трития. В проектеProject 8 массу нейтрино планируется определять посредством измеренияполной энергии синхотронного излучения электронов, испускаемых в β − распаде трития и захваченных сильным однородным магнитным полем.137В проекте MARE для определения массы антинейтрино планируетсяиспользовать β − - распадRe. Энергия испускаемых электронов в данном187эксперименте измеряется с помощью криогенной микрокалориметрии.
Сутьданной методики заключается в следующем. Небольшой образец твёрдогорения (1 мг), представляющего собой одновременно источник и детекторэлектронов(криокалориметр),охлаждаетсядотемпературыпорядканескольких десятков милликельвин. Электрон, испущенный в процессе β − распадаRe, поглощается криокалориметром, при этом энергия электрона187переходит в тепловую энергию криокалориметра. Т.к. при низких температурахтеплоёмкость рения мала, то процесс поглощения электрона приводит к легкоизмеряемому увеличению температуры криокалориметра.
Таким образом,величина изменения температуры позволяет определить энергию электрона.Определению массы нейтрино из анализа электронного захвата в163Hoпосвящены три проекта: HOLMES, NuMECS и ECHo. Все эти проекты схожимежду собой и используют так же, как и проект MARE, методику криогенноймикрокалориметрии для определения массы нейтрино. В отличии от проектаMARE, в процессе электронного захвата вHo измеряется полная энергия163разрядки возбуждённой атомной оболочкиDy, являющегося дочерним163нуклидом в электронном захвате в 163Ho.Как уже было отмечено, все эксперименты для достижения своей целинуждаются в независимо измеренных Q-значениях исследуемых β процессов.Причем Q-значения необходимо знать с абсолютной точностью, сравнимой сжелаемойточностьюопределениямассынейтрино/антинейтрино.Единственной на сегодняшний день методикой, позволяющей определить Qзначения данных процессов с достаточно высокой точностью, является высокопрецизионная масс-спектрометрия на базе ловушки Пеннинга.
Если бытьточным, то с помощью ловушек Пеннинга измеряется разница массматеринского и дочернего нуклидов. В дальнейшем данную разницу массбудем также именовать Q-значением процесса. Для определения Q-значенияβ − - распада трития с точностью порядка 20 мэВ создаётся установка THe-138TRAP [56].
Q-значения β − - распадаRe и электронного захвата в187163Hoпланируется измерить с точностью порядка 1 эВ с помощью установкиPENTATRAP [49, 50] (см. главу 7). Данные установки создаются в ИнститутеЯдерной Физики имени Макса Планка в Германии.Высоко-прецизионныеизмеренияβ − - распадаQ-значений187ReиHo являются делом будущего.
Тем не менее, ужеэлектронного захвата в163сейчас в процессе подготовки экпериментов MARE, HOLMES, NuMECS иECHo необходимо знать Q-значения β − - распадавс163HoточностьюпорядканесколькихRe и электронного захвата187десятковэВ.Во-первых,статистическая точность определения массы нейтрино, достижимая в данныхэкспериментах при заданных экспериментальных параметрах, и, следовательно,требуемый масштаб эксперимента является функцией Q-значения исследуемыхпроцессов.Во-вторых,возможноеопределённых из анализа β − - распадазначительноеотличиеQ-значений,Re и электронного захвата в187Ho от163Q-значений данных процессов, измеренных с помощью масс-спектрометрии,может сигнализировать о наличии потенциальных источников систематическихошибок, присущих методике криогенной микрокалориметрии.
Q-значения β − распадаRe и электронного захвата в187Ho были уже определены с163достаточно хорошей точностью в нескольких экспериментах с помощьюразличных методик (соответственно рисунки 6.3(а) и 6.4(а)). К сожалению, ниодна из использованных методик не является прямой, т.е.
измеряющейнепосредственно разницу масс материнских и дочерних нуклидов. Так, Qзначение β − - распадаRe определялось двумя методами: (1) с помощью187газовых пропорциональных счётчиков [180, 181, 182] и (2) посредствомкриогенной микрокалориметрии [183, 184, 185, 186]. Как видно из рисунка 6.3существуетраспададовольносильноеразногласиемеждуQ-значениямиβ−-Re, полученными с помощью этих различных методик. Таким187образом, возникает необходимость в прямом определении Q-значения спомощью ловушек Пеннинга с точностью, равной как минимум нескольким139десяткам эВ.
Если окажется, что данное Q-значение значительно отличается отQ-значений, полученных с помощью криогенных микрокалориметров, то этобудетуказыватьнанедостаточноадекватноемикрокалориметрического спектра β − - распадамодельноеописаниеRe, что может привести к187существенным систематическим ошибкам в точном определении массыантинейтрино посредством криогенной микрокалориметрии.Рис. 6.3: Q-значения β − - распада 187Re, полученные в (`Brodzinski 1965`: [180],Huster 1967`: [181], `Ashktorab 1993`: [182], `Cosulich 1992`: [183], `Alessandrello1999`: [184], `Galeazzi 2000`: [185], `Arnaboldi 2003`: [186]).
Зелёнымиквадратиками и синими кружками обозначены Q-значения, полученные спомощью, соответственно, газовых пропорциональных счётчиков и криогенныхмикрокалориметров.Аналогичная ситуация сложилась и с Q-значением электронного захватавHo. Для определения данного Q-значения было использовано семь163различных непрямых методик. Рекомендованное Q-значение, равное 2.555(16)кэВ [12], базируется на значениях, полученных с помощью газовыхпропорциональных счётчиков [187, 188] методом сравнения вероятностейзахвата электронов с различных атомных оболочек и из анализа процесса“связанного“ β -распада на накопительном кольце в ГСИ (GSI) [189].
Болеепоздние Q-значения, полученные с помощью криогенной микрокалориметрии,находятся в существенном разногласии с рекомендованным значением. В140отличииотэкспериментовэкспериментов сНарисунке187ReстатистическаячувствительностьHo к массе нейтрино существенно зависит от Q-значения.1636.4(б)чувствительностьсвкачествеэкспериментапримераприводитсяECHoдлязарегистрированных событий электронного захвата встатистическаяразличногочислаHo [48]. Для заданной163статистической чувствительности эксперимента изменение Q-значения от 2.4кэВ до 2.8 кэВ приводит к четырёхкратному увеличению размера эксперимента.С этой точки зрения наиболее выгодным является Q-значение, находящееся вобласти рекомендованного значения.
Но это означает, что микрокалориметрияопределяет Q-значение с большой систематической ошибкой, что, в своюочередь, скажется на точности определения массы нейтрино.Рис. 6.4: (а)Q-значения электронного захвата в 163Ho, полученные внескольких экспериментах из анализа процесса электронного захвата [177, 190,191, 192, 187, 193, 188, 189, 194, 134] и [135].
Различные символысоответствуют различным экспериментальным методикам анализа процессаэлектронного захвата. Бордовые линия и полоса обозначают соответственнорекомендованное Q-значение и точность его определения [12]. (б)Статистическая чувствительность эксперимента ECHo к массе нейтрино взависимости от Q-значения электронного захвата в 163Ho для различного числаN зарегистрированных событий электронного захвата [48].Если же истинное Q-значение согласуется с микрокалориметрическим Qзначением, то это будет означать, что микрокалориметрический спектр141достаточно корректно описывает все физические процессы, протекающие впроцессе электронного захвата в 163Ho.
Таким образом, так же, как и в случае сQ-значениемβ − - распадаэлектронного захвата в187Re,необходимоопределениеQ-значенияHo с помощью ловушек Пеннинга с точностью,163равной как минимум нескольким десяткам эВ, которая позволит снятьразногласия, достигающие несколько сотен эВ, согласно рис. 6.4(а).6.3 Описание эксперимента по определению массы 48Ca, а также Qзначений β −-распада 187Re и EC в 163HoПроцедуры определения атомной массы 48Ca, Q-значения β --распадаQ-значения EC вRe и187Ho полностью идентичны. Поэтому при описании хода163эксперимента и анализа данных, если нет необходимости в упоминанииконкретных нуклидов, будем оперировать понятиями “нуклид 1“ и “нуклид 2“соответственно с массами M 1 и M2 и свободными циклотронными частотами 1и 2 .Вводная информацияВ масс-спектрометрии на базе ловушек Пеннинга масса конкретногонуклида определяется посредством измерения отношения R свободныхциклотронных частот данного нуклида и реперного нуклида с известноймассой, находящихся в определённом зарядовом состоянии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
