Главная » Статьи » Обратное магнитное зеркало поможет изучить бета-распад

Обратное магнитное зеркало поможет изучить бета-распад

C. Roick et al. / Phys. Rev. C

Немецкие физики предложили новый способ измерения энергии электронов, который основан на измерении времени их пролета через неоднородное магнитное поле. Предложенный способ воспроизводит результаты традиционных методов на больших энергиях, однако имеет гораздо меньшую погрешность при измерении энергий менее ста килоэлектронвольт. Это позволит лучше изучить бета-распад нейтронов и атомных ядер. Статья опубликована в Physical Review C.

Как известно, свободный или связанный в ядре нейтрон может превратиться в протон, испустив при этом электрон и электронное антинейтрино. Такой процесс называется бета-распадом — а если точнее, бета-минус распадом, по знаку заряда испускаемой частицы. На фундаментальном уровне бета-распад можно описать с помощью электрослабого взаимодействия — представить его как переход d-кварка в u-кварк и W-бозон, который впоследствии распадается на более легкие частицы. Ученые часто используют бета-распад в поисках «новой физики», то есть пытаются увидеть какие-нибудь расхождения с предсказаниями Стандартной Модели (например, нарушение Лоренц-инвариантности теории). При этом ограничения, полученные с помощью бета-распада, часто оказываются сопоставимы с аналогичными ограничениями из физики высоких энергий, а в некоторых случаях даже превосходят их.

В большинстве экспериментов с участием бета-распада исследователям приходится точно измерять энергию возникающих электронов. К сожалению, точности существующих методов уже не хватает — например, последние эксперименты с бета-распадом нейтрона собрали так много данных, что статистическая погрешность оказалась ниже систематической. Поэтому в новой статье группа физиков под руководством Ю. Шмидта (U. Schmidt) разработали новый метод для измерения энергии электронов, основанный на времени их движения в магнитном поле (time-of-flight, ToF). Грубо говоря, этот метод использует то факт, что чем выше энергия частицы, тем быстрее пролетает фиксированное расстояние до детектора.

Правда, стоит заметить, что сам по себе метод ToF вовсе не нов и энергию электронов с его помощью измеряли еще тридцать лет назад. Тем не менее, при изучении бета-распада этот способ никогда не использовали, поскольку для него требуются очень узкие пучки электронов; в бета-распаде же направление вылета электрона практически произвольно. Из-за этого время полета электронов до детектора зависело не только от их энергии, но и от угла, что затрудняло анализ данных. Однако на этот раз ученые нашли способ справиться с проблемой.

Для этого они предложили использовать обратное магнитное зеркало — магнитное поле, профиль которого похож на поле в ловушках для хранения высокотемпературной плазмы. Обратное магнитное зеркало состоит из двух участков с однородным магнитным полем, направленным вдоль оси установки. На одном из них, расположенном ближе к источнику электронов, поле очень сильное (в сто тысяч раз больше магнитного поля Земли B ~ 30 микротесла), а на более далеком и длинном участке падает до сравнительно небольших значений. В результате электроны, образовавшиеся в ходе бета-распада и попавшие в участок сильного магнитного поля, быстро ускоряются, а их скорости выстраиваются вдоль оси установки вне зависимости от начального угла. Энергия электрона при этом не меняется, поскольку сила Лоренца пропорциональна векторному произведению ~ [ × ]. Дальнейшее движение электроны продолжают в области однородного поля, которое направлено параллельно скорости частиц и, следовательно, практически не сказывается на их траектории (векторное произведение [ × ] = 0 в случае параллельности ).

В конечном счете получается, что время движения электронов в установке зависит только от их скорости (которая однозначно связана с энергией), но не зависит от начальных углов. Грубо говоря, время прохождения сравнительно длинного участка с постоянным полем обратно пропорционально скорости частиц, а форма траекторий практически одинакова для всех начальных углов. Более точно зависимость времени полета от энергии можно рассчитать, интегрируя вдоль оси установки проекцию обратной скорости частиц. Экспериментально измерить это время можно, отмечая моменты бета-распада и достижения электроном конца установки с помощью сцинтилляционных детекторов, которые регистрируют электромагнитное излучение, испускаемое частицей.

Кроме теоретических оценок и численных расчетов, подтверждающих работоспособность метода ToF, ученые проверили предложенную схему на практике. Для этого они построили экспериментальную установку, в которой магнитное поле на первом участке создавалось коротким (30 сантиметров в длину) сверхпроводящим электромагнитом и достигало величины порядка трех тесла, а на втором участке — 4,42-метровым соленоидом, который обеспечивал поле около 0,022 тесла. В качестве детекторов исследователи использовали пластиковые сцинтилляторы (Saint Gobain BC 440), соединенные с фотоумножителями. Источником частиц выступал образец стронция-90 с периодом полураспада около 27 лет, энергия его электронов может достигать 546 килоэлектронвольт. Кроме того, образующиеся в ходе распада атомы иттрия-90 тоже нестабильны и излучают электроны с энергией до 2,3 мегаэлектронвольт, которые также вносят вклад в экспериментальные данные.

Наконец, ученые откалибровали построенную установку, сравнивая номер сработавшего канала детектора и энергию попавшего в него электрона, которую физики рассчитали по времени его полета. Оказалось, что построенная кривая хорошо согласуется с результатами «традиционных» калибровок — например, калибровки с использованием монохроматических электронов, то есть электронов с заранее известными энергиями. В то же время, новый метод обладает заметными преимуществами — при низких энергиях электронов (менее ста килоэлектронвольт) его погрешность значительно меньше, чем у всех остальных способов измерения энергии. По словам ученых, это позволит более подробно исследовать процессы бета-распада на низких энергиях.

Также авторы статьи надеются проверить разработанный ими метод на более современной установке по исследованию бета-распада PERC, которая скоро будет построена в Мюнхенском техническом университете. Длина участка слабого поля на этой установке будет достигать восьми метров, а напряженность магнитного поля — шести тесла, что позволит добиться еще более низких погрешностей при измерения энергии.

В апреле 2015 года американские ученые придумали новый способ измерять энергию отдельных электронов, которые возникают при распадах атомных ядер, не вмешиваясь в динамику частиц. Для этого они предложили регистрировать циклотронное излучение, испускаемое электронами. А в августе 2016 мы писали о том, как двойной бета-распад — процесс, в ходе которого сразу два нейтрона превращаются в два протона — помог установить самые строгие ограничения на майорановскую природу нейтрино.

Дмитрий Трунин