Диссертация (1149585), страница 13
Текст из файла (страница 13)
имели заряд +1. Дляполучения ионов124Xe и130Xe применялась электронная пушка SPECS IQE 12/38, которая вы-бивала из атомов ксенона по одному электрону, тем самым превращая их в ионы. Для получения71ионов 130 Xe использовался естественный ксенон, в то время как для 124 Xe применялась смесь состепенью обогащения 99,9% для данного изотопа. Все остальные ионы, а именно:130Te,130Ba,136Ce и136124Sn,124Te,Ba, были получены при помощи облучения пучком от твердотельноголазера Nd-YAG (532 нм) мишеней образцов, изготовленных в виде металлических основ или вформе оксидов.После образования ионов, происходит их ускорение и фокусировка при помощи ионнотранспортной оптики. Также помимо этого, ионы, полученные от лазерного пучка, поворачивались на 90∘ благодаря квадрупольному отражателю. Следом за ионной оптикой идёт подготовительная ловушка, которая выполняет роль ионного фильтра, пропуская далее лишь ионыизмеряемых нуклидов.
Из подготовительной ловушки они транспортируются в измерительнуюловушку, где уже непосредственно происходят сами измерения, путем создания квадрупольного возбуждения. После возбуждения в измерительной ловушке ионы из неё испускаются, иМКП-детектор регистрирует их время пролёта от ловушки до детектора. Обе ловушки – подготовительная и измерительная, находятся внутри сверхпроводящего магнита, который помещён всистему криостатов с контурами из жидкого азота и гелия. Магнитное поле внутри ловушек достигает 7 Тл.
Отметим, что вначале эксперимента набирается стандартный резонанс для грубогонахождения циклотронной частоты, а затем используется Ramsey возбуждение для корректировки результата и уменьшения погрешности измерения.6.4.2Методика экспериментаКак отмечалось выше, для вычисления резонансного фактора, необходимо получить разностьмасс материнского и дочернего нуклида с максимальной точностью не хуже 100 эВ. Разностьмасс в эксперименте определялась через отношение циклотронных частот материнского и дочернего нуклидов в соответствие с формулой: = − = ( − ) ·(︁ ( + ))︁−1,+ ()(6.10)где – масса материнского атома, – масса дочернего атома, – масса электрона, (+ )+) – циклотронные частоты дочернего и материнского ионов, соответственно.и (В силу невозможности одновременного измерения циклотронных материнского и дочернего нуклидов, появляется дополнительная систематическая ошибка из-за флуктуации магнитного поля между их последовательными измерениями.
Для уменьшения данной систематическойошибки был предложен метод, основанный на линейной интерполяции и получении значенияциклотронной частоты одного из ионов в момент измерения другого иона. Этот способ проиллюстрирован Рисунком 6.9. Данная методика позволяет получить значение циклотронной частоты для материнского иона в момент времени , когда происходит измерение дочернего иона.Аналогично можно определить дочернего иона в момент измерения материнского иона. Предложенная методика позволила улучшить точность измерений на порядок величины.72ν iDνcν iMtitxtti+1Рисунок 6.9: Метод одновременного измерения циклотронных частот для материнского идочернего ионов с использованием интерполяции6.4.3Результаты экспериментаИзобарный триплет с массовым числом A=124В данном изобарном триплете происходит двойной e-захват в124Sn с общим дочерним нуклидом124124Xe и двойной бета-распад вTe. Схема распада представлена на Рисунке 6.10.
Такжеνεε∼εεββνβ βРисунок 6.10: Двойной бета-распад 124 Sn в 124 Te, двойной e-захват в 124 Xe и его безнейтриннаямода на возбуждённые уровни. Все значения даны в кэВна Рисунке 6.10 показан уровень 2853.2(6) кэВ с неизвестным спином и чётностью [84], располагающийся вблизи основного состояния материнского ядра. Вероятность перехода на данныйуровень может резко превзойти все остальные вероятности перехода, если уровень будет 0+ . Ноэто уже задача для будущих спектроскопических экспериментов. Для 124 Sn получено следующеезначение разности масс Q = 2292.64(39) кэВ, т.е. ошибка измерения составляет 390 эВ. Числоэкспериментальных отношений циклотронных частот показано на Рисунке 6.11.
Измерения осуществлялись с использованием двойного Ramsey импульса в режиме 25-950-25 мс (1 − 0 − 1 )73Рисунок 6.11: Отношение циклотронных частот 124 Te+ к 124 Sn+ . Серая полоса соответствуетобщей ошибке средне-взвешенного отношения частот для всех 36 экспериментальных значений. Полученное значение Q отличается от значения изAME (Atomic Mass Evaluation) [85] на 4.8(2.1) кэВ, более чем на два стандартных отклонения.Таким образом, полученный результат является более предпочтительным при расчётах, связанных с поиском двойного безнейтринного бета-распада в 124 Sn.Для 124 Xe было также получено значение разности масс Q = 2856.73(12).
Ошибка измерениясоставляет всего 120 эВ и позволяет использовать этот результат в расчётах резонансногофактора ℱ. Отношение измеренных циклотронных частот представлено на Рисунке 6.12.Измерения осуществлялись с использованием двойного Ramsey импульса в режиме 60-2280-60Рисунок 6.12: Отношение циклотронных частот 124 Te+ к 124 Xe+ . Серая полоса соответствуетобщей ошибке средне-взвешенного отношения частот мс для номеров измерений от 1 до 39 и 25-950-25 мс для номеров 40-171 измерений. Отличие74полученного значения составило 7.7(2.4) кэВ от значение AME, более чем на три стандартныхотклонения.Изобарный триплет с массовым числом A=130Данный триплет представлен нуклидом 130 Te, который испытывает двойной бета-распад.
С другой стороны в него входит130Ba, в котором происходит двойной e-захват. Общим дочернимстабильным нуклидом является 130 Xe. Схема распада представлена на Рисунке 6.13. Стоит отме-νεεεεββνβ βРисунок 6.13: Двойной бета-распад 130 Te в 130 Xe, двойной e-захват в 130 Ba и его безнейтриннаямода на возбуждённые уровни.
Все значения даны в кэВтить, что в ядре130Xe существует много уровней с неизвестными спином и чётностью, которыерасполагаются значительно ближе к основному состоянию130Ba, чем уровень 2544.43(8) кэВ.Самый ближайший это уровень 2622.32(9) кэВ [84]. Разница с основным состоянием для данного уровня составляет всего лишь 1.42 кэВ.
Значение для130Te уже было измерено в рядедругих экспериментов с необходимой для нас точностью, поэтому данное измерение использовалось для проверки адекватности наших результатов. Перекрытие результатов других групп сполученным нами результатом Q = 2527.55(14) кэВ достигается уже при одном стандартномотклонении.
Частотный график измерений представлен на Рисунке 6.14. Измерения осуществлялись с использованием двойного Ramsey импульса в режиме 60-2280-60 мс для номеров 1-55измерений и 25-950-25 мс для номеров 56-153.Для130Ba значение разности масс составило Q = 2623.74(29) кэВ отличие от данныхAME составило всего лишь 300 эВ, поэтому в данном измерении существенного прогресса воценке резонансного фактора достичь не удалось. Частотный график измерений представленна Рисунке 6.15. Измерения осуществлялись с использованием двойного Ramsey импульса врежиме 60-2280-60 мс для номеров 1-15 измерений и 25-950-25 мс для номеров 16-36.75Рисунок 6.14: Отношение циклотронных частот 130 Xe+ к 130 Te+ . Серая полоса соответствуетобщей ошибке средневзвешенного отношения частот Рисунок 6.15: Отношение циклотронных частот 130 Xe+ к 130 Ba+ . Серая полоса соответствуетобщей ошибке средневзвешенного отношения частот Изобарный триплет с массовым числом A=136Данный триплет представлен нуклидом 136 Xe, который испытывает двойной бета-распад.
С другой стороны в него входит136Ce, в котором происходит двойной e-захват. Общим дочернимстабильным нуклидом является136Ba. Схема распада представлена на Рисунке 6.16. Также наРисунке 6.16 показан ближайший уровень к основному состоянию вном и чётностью. Основные измерения были сделаны для136136Ce с неизвестными спи-Ce. Значение разности масс со-ставило Q = 2378.49(35) кэВ, с ошибкой 350 эВ. Разница с данными AME составила 40(13)кэВ. Это довольно редкий случай такого большого отклонения с другими экспериментами длястабильных нуклидов.
Частотный график измерений представлен на Рисунке 6.17.76ββνεενβ βεεРисунок 6.16: Двойной бета-распад 136 Xe в 136 Ba, двойной e-захват в 136 Ce и его безнейтриннаямода на возбуждённые уровни. Все значения даны в кэВРисунок 6.17: Отношение циклотронных частот 136 Ba+ к 136 Ce+ . Серая полоса соответствуетобщей ошибке средневзвешенного отношения частот 6.4.4Оценки периодов полураспадаРасчёт периодов полураспада для безнейтринного двойного e-захвата выполнялся на основании выражений (5.4) и (5.6) для следующих нуклидов124Xe,130Ba,136Ce.
Все необходимыеданные, а также результаты измерений, представлены в Таблице 6.1. Из данной таблицы видно,что резонансное условие лучше всего выполняется для124Xe, т.к. Δ =1.86(15) кэВ. Поэтомуцелесообразно оценить период полураспада именно в данном нуклиде. Если положить эффективную массу майорановского нейтрино равной 1 эВ и типичное значение для ядерногоматричного элемента 3, то период полураспада для безнейтринного двойного e-захвата вна возбуждённый уровень124124XeTe составит порядка 1028 лет. На сегодняшний момент измерение77Таблица 6.1: Основные данные, использованные при оценке периодов полураспадапереходXe →124 Te*130Ba →130 Xe*136Ce →136 Ba*124 , кэВ2790.41(9)2533.4(3)2315.32(7)(0+ )0+0+Q, кэВ2856.73(12)2623.74(29)2378.49(35)2ℎ , кэВ64.45769.12974.881орбиталиKKKKKKΔ, кэВ1.86(15)21.21(42)-11.71(36)Γ, эВ202326столь значительного периода полураспада пока ещё недоступно для эксперимента, но с появлением новых гигантских детекторов в нейтринной физике в ближайшем будущем, такая возможность появится.
Тем не менее, наблюдение процесса безнейтринного двойного e-захвата откроетдоступ к более точной оценке периода полураспада для безнейтринного двойного бета-распадав данном триплете (без проведения измерений), через уже известное значение матричного элемента.6.5Поиск безнейтринного двойного e-захвата в124Xe с ис-пользованием гигантского нейтринного детектораНаиболее вероятным из возможных кандидатов, оцененных в данной работе, на проведениереального эксперимента по поиску 0 является 124 Xe. Период его полураспада 1/2 ≈ 1028 лет.Данный распад должен идти на возбуждённый уровень 2790.41(9) кэВ ядра124Te, если спин и+чётность этого уровня 0 .
Как уже говорилось ранее, основными сигналами от 0 процессабудут низкоэнергетичные рентгеновские кванты, электроны Оже, а также гамма-кванты при разрядке возбуждённого уровня дочернего ядра. В силу того, что для регистрации распада требуетсязначительное количества исследуемого вещества, обычные гамма-детекторы здесь не подойдут.Для этого требуются гигантские детекторы излучения, одним из которых является LENA (см.раздел 3.2). Порог регистрации в 200 кэВ для детектора не позволит зарегистрировать низкоэнергетичный отклик от распада, однако никаких трудностей с регистрацией гамма-квантовне будет, поскольку детектор защищён от внешней радиоактивности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
