Циклотронното лъчение отваря нови възможности за измерване на масата на неутрино

Автор(и): Игор Иванов

на вашата страница -->

Първите резултати от експеримента Project 8 доказаха жизнеспособността на нова техника за измерване на енергията на електроните - чрез честотата на тяхното циклотронно излъчване. Този метод работи с нерелативистични електрони поотделно и измерва тяхната енергия по неразрушителен начин. Въз основа на този метод ще бъде възможно да се опитаме директно да измерим масите на неутрино, които поради своята малка част все още не могат да бъдат измерени.

Директни измервания на масата на неутриното

Неутриното са най-капризните сред всички известни елементарни частици. С тях са свързани едновременно няколко мистерии, за които вече са написани много образователни материали. Един от тях е произходът на масите на неутрино, който повечето физици приписват на все още неизвестната Нова физика. Най-общо неутриното биват три вида - електронни, мюонни и тау неутрино, в зависимост от двойката лептон, с която се раждат. Въпреки това, тази лептонна идентичност е относително казано замъглена. Това води до забележителен феномен на неутрино осцилации: ако едно електронно неутрино е родено в някакъв процес, тогава на километър от мястото на раждане то може вече да стане частично мюонно и след още един километър може отново да възстанови електронната си идентичност.

Осцилациите показват, че масите на неутриното са различни от нула. Освен това те подчертават поразителното свойство на неутриното: тяхната „масова идентичност“ изобщо не съответства на лептонната идентичност. Неутрино с определена маса не е електрон, не мюон и не тау неутрино, а някаква комбинация от тях. И обратно,неутрино с определена лептонна идентичност, като например електронно неутрино, няма фиксирана маса, а е комбинация от неутрино с различни маси. Това изглежда парадоксално от ежедневна гледна точка, но е в пълно съответствие с квантовата механика. Може да се каже, че осцилациите на неутрино са макроскопична, километрична илюстрация на квантовите закони.

Измерването на дължината на трептенията позволява да се намери разликата в масите на неутрино или по-скоро разликата в квадратите на масите. Тези измервания обаче не казват нищо за общия мащаб на масите. Те трябва да лежат някъде в областта на милиелектронволта (meV), но дали това ще бъдат единици, десетки или стотици meV, не е известно (фиг. 2). Необходимо е да се знаят тези маси, за да се разбере на кой от стотиците теоретични модели на свойствата на неутриното да се даде предпочитание. Това може да стане само чрез експеримент - но от различен тип, не осцилаторен, а спектроскопичен, базиран на точно измерване на електронната енергия при радиоактивни разпадания.

За да направите това, помислете за атом на тритий, нестабилен изотоп на водорода. Ядрото на трития, поради бета-разпад, се превръща в три частици - хелий-3, електрон и антинеутрино (фиг. 3). В зависимост от това как тези три частици се разпръскват една спрямо друга, електронът може да има различни енергии (всъщност точно поради това съществуването на неутрино беше заподозряно преди 80 години). Тази енергия ще бъде най-голяма в тези изключително малко вероятни случаи, когато електрон и неутрино излитат строго в една посока. И в зависимост от това дали неутриното има маса или не, тази максимална енергия на електроните също ще се окаже малко по-различна. Чрез измерване на енергията на електроните в самия край на спектъра може да се изчисли масата на неутриното.

Това е лесно да се каже, но трудно да се направи. Разгледайте фиг. 4, която показва спектъраелектрони при разпадането на тритий и забележете колко незначителна е разликата, за да бъде регистрирана експериментално. Не само тази област, последният електронволт от спектралното разпределение, представлява по-малко от една трилионна част от всички разпадания, но тази енергия също трябва да бъде измерена с точност до субелектронволта. И тук се крие основният проблем: въпреки повече от половин век история на измерванията (D. R. Hamilton et al., 1953. Upper Limits on the Neutrino Mass from the Tritium Beta Spectrum), такава точност все още е недостижима. В последните два експеримента, в Троицк (V. N. Aseev et al., 2011. Горна граница на масата на електронното антинеутрино от експеримента в Троицк) и в Майнц (C. Kraus et al., 2005. Окончателни резултати от фаза II на масата на неутриното в Майнц, търсеща разпада на тритий β), бяха получени подобни резултати: масата на неутриното не можеше да бъде измерена и само горна граница от около 2 eV е установено (виж (също популярен разказ на В. Йонов „Търсене на масата на неутрино в експерименти с бета-разпад на тритий“).

Това, разбира се, все още е много: в крайна сметка масата на неутриното може да се окаже с два или три порядъка по-малка. Ето защо е необходимо да се търсят начини експериментът да стане по-точен и най-вече да се намалят грешките при измерване на енергията на електрона. Сега се подготвя за изстрелване гигантското съоръжение KATRIN (фиг. 5), което за няколко години работа ще позволи да се намали тази стойност с порядък до 200 meV. Той е почти готов за работа и ще започне да събира данни през 2016 г. Но паралелно с него се развиват и други проекти, които разчитат не на огромни размери, а на нови идеи.

Електронна циклотронна спектроскопия

Самата идея за циклотронна спектроскопия за потенциално измерване на масата на неутриното беше оповестена не толкова отдавна,през 2009 г. (B. Monreal и J. A. Formaggio, 2009. Откриване на релативно циклотронно излъчване на електрони от разпад на тритий като нова техника за измерване на масата на неутрино). Солта му е в това. Обикновено, когато имаме електрони, които не са твърде енергични, тяхната енергия се измерва чрез простото поглъщане на този електрон и превръщането на енергията му в йонизация на материя и светлина. Такова измерване е неудобно с това, че е еднократно, напълно елиминира измервания обект. Каква грешка ще има това измерване, това ще си остане така, за всеки конкретен електрон вече не може да се подобри. За разлика от това, методът на циклотронната спектроскопия измерва енергията на електроните по неразрушителен начин. Това означава, че ви позволява да повтаряте измерването върху един и същ електрон много пъти и по този начин драматично да подобрите точността на измерването.

Прави се така. Излъченият при разпадането електрон попада в силно магнитно поле и се върти там в кръг с определена честота (тази честота се нарича циклотронна честота). В процеса той излъчва електромагнитно излъчване на същата циклотронна честота (за описаните експерименти тя се намира в микровълновия диапазон). За напълно нерелативистичен електрон честотата на циклотронното излъчване ω0 се определя само от магнитното поле и не зависи от енергията на електрона. Ако скоростта на един електрон започне да се доближава до скоростта на светлината — а скоростта на тритиев електрон вече достига една четвърт от скоростта на светлината — циклотронната честота вече е равна на ω(E) = ω0/γ, където γ е обичайният релативистичен фактор, факторът на Лоренц. В резултат на това честотата вече зависи от енергията: колкото повече енергия, толкова по-ниска е честотата. Вярно е, че тази зависимост е доста бавна, тъй като факторът на Лоренц се различава малко от единицата. Въпреки това съществува. Следователно, достатъчно точно измерване на честотата на излъчване визвестно магнитно поле ще покаже колко енергия има електронът.

Едно отклонение за тези, които вече са се сблъсквали със синхротронно лъчение преди и сега виждат циклотронно лъчение за първи път. И двете са радиация от електрони, движещи се в магнитно поле. Разликата е, че синхротронното лъчение се излъчва от високоенергиен електрон в кратък участък от траекторията, докато циклотронното лъчение се излъчва от нерелативистичен електрон от цялата му орбитална окръжност наведнъж. Синхротронното лъчение е локалният отговор на електрона в отговор на факта, че неговата траектория се е обърнала; това лъчение се прекъсва точно тук и сега, а накъде по-нататък ще отлети електронът и дали траекторията му ще се затвори, не е важно. Циклотронното лъчение е кохерентен ефект от цялата траектория, то е резултат от периодичното движение на електрона. Това всъщност е излъчването на фотон при прехода на електрона от ниво на ниво, но не в атом, а във външно магнитно поле. Той се излъчва незабавно във всички посоки, така че е удобно да се събира и извежда с вълновод.

Ако самата идея за измерване на енергията на електрон от циклотронно лъчение изглежда проста, тогава нейното експериментално изпълнение е много трудоемка задача. От една страна, интензитетът на излъчване от един електрон е много малък: в силно магнитно поле от 1 тесла, един електрон произвежда мощност от порядъка на фемтоват. От друга страна, енергията на един електрон също е малка и за части от секундата цялата ще бъде изразходвана за излъчване. Тези две условия налагат сериозни изисквания към микровълновия фотонен сензор: той трябва да бъде чувствителен и в същото време достатъчно бърз. Ако натрупате сигнала твърде дълго, електронът ще загуби значителна част от енергията, честотата на излъчване ще „изплува“ и цялата картина ще бъде размазана.

Технологична демонстрация в експеримента Project 8

INВ експеримента Project 8 малка клетка (фиг. 5, вдясно) беше пълна с радиоактивни пари на криптон, които се получиха в резултат на разпадането на рубидий-83. Клетката е поставена в еднородно магнитно поле с индукция от 1 тесла, а в центъра й е допълнително създаден магнитен капан, който да задържа електроните за поне няколко милисекунди. „Режейки кръгове“ в магнитно поле, електроните излъчват микровълново лъчение с честота около 25 GHz, което се отстранява от вълновод, преминава през радиоусилвател с нисък шум и се записва от чувствителен сензор. Цялата настройка, разбира се, беше охладена до ниски температури - това е необходимо както за свръхпроводящия магнит, така и за потискане на топлинния шум в радиационния сензор.

На фиг. Фигура 6 показва резултата от измерването на честотата на излъчване от един електрон с енергия около 30 keV през първите милисекунди след излизането му от атома (този момент съответства на началото на първата ивица). Както се очакваше, честотата на излъчените фотони постепенно се увеличаваше, докато електронът губеше енергия. Чувствителният сензор акумулира сигнала от радиацията доста бързо, така че "дрейфът" на честотата може да бъде проследен с точност до субмилисекунди. Вярно е, че от време на време електронът се сблъсква с атомите на газа и губи малка част от енергията си; тези събития съответстват на резки скокове на фиг. 6. Но това е страничен ефект. Основното е, че самите ивици се оказаха тънки и контрастни, което позволява да се определи първоначалната енергия на електрона с добра точност.

Както се вижда от фигурата, досега неопределеността на измерване на честотата е десети от мегахерца. По отношение на енергията на електроните това съответства на грешка от десетки eV. Да, все още е твърде много за подобряване на текущата граница на масата на неутрино. Нотова е само първата демонстрация на метода, направена в много малко работно пространство. Тъй като технологията не изисква огромни инсталации и високи разходи, а разчита единствено на чувствителността на сензора и чистотата на експеримента, може да се очаква, че точността на измерванията ще се увеличи значително в бъдеще. Тогава ще бъде възможно да се пусне тритий в инсталацията и да се опита да "почувства" масата на неутрино. Разбира се, KATRIN ще влезе в експлоатация и ще получи своите резултати, преди Project 8 да я изпревари по чувствителност. Въпреки това, в дългосрочен план проект 8, поради техническия си потенциал, има шанс да се придвижи още по-далеч, дълбоко в милиелектронволтовия диапазон.

Накрая е интересно да се отбележи още един момент. Не бива да мислите, че това е първият пример за регистриране на поне малко излъчване от един електрон. Електрони с висока енергия в магнитно поле светят добре и охотно - но това е синхротронно лъчение. Има една хубава историческа скица. Когато колайдерът AdA, един от първите колайдери изобщо, се строи в Италия през 60-те години на миналия век, физиците бяха изправени пред задачата да наблюдават интензитета на циркулиращия лъч в реално време. Беше решено да се направи това с помощта на тяхното синхротронно лъчение. Сензорът беше монтиран, но трябваше да се калибрира - тоест да се измери светлинният сигнал от лъч с известен интензитет. И така, този интензитет беше намален толкова много, че в лъча останаха само няколко електрона, които с течение на времето изчезнаха един след друг или, обратно, бяха инжектирани в лъча. Фотосензорът, превключен в режим на висока чувствителност, перфектно записва стъпаловиден профил на яркостта на излъчване (фиг. 7). По-специално, най-ниската стъпка точно съответства на синхротронното сияние от един електрон,въртене в пръстен за съхранение.

И така, повтаряме отново, експериментът Project 8 беше първият, който откри не просто радиация, но и циклотронна радиация от единичен нерелативистичен електрон. И трябва да отдадем почит на експериментаторите - този ефект е много по-слаб от синхротронното лъчение.