Способ определения массы нейтрино

 

Изобретение относится к области распознавания элементарных частиц, более конкретно к определению массы нейтрино. Целью изобретения является повышение чувствительности способа. Измеряют продукты распада радиоактивных ядер, для чего измеряют продукты распада свободного нейтрона, прошедшего через однородное магнитное поле, линии напряженности которого составляют угол с направлением потока нейтрона. Чувствительность способа к обнаружению массы нейтрино весьма велика и определяется ее наличием в максимальной граничной энергии распада, которая существенно влияет на спектр при измерениях . В способе используется большое число контрольных измерений, которые обеспечивают надежность получаемых результатов . 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

-РЕСПУБЛИК (594 601 Ò! 38

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4124829/40-25 (22) 14.07.86 (46) 15.05.88. Бюл. № 18 (72) С. М. Калебин (53) 621.387.424 (088.8) (56) Третьяков Е. Ф. Известия АН СССР, Сер. физическая 1976, т. 40, № 10, с. 2026.

Lubimov Y. А., et al, Phys Jett, 1980, v. 94 В, р. 266. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ

НЕЙТРИНО (57) Изобретение относится к области распознавания элементарных частиц, более конкретно к определению массы нейтрино.

Целью изобретения является повышение

„„SU„„1396104 А 1 чувствительности способа. Измеряют Ilpoдукты распада радиоактивных ядер, для чего измеряют продукты распада свободного нейтрона, прошедшего через однородное магнитное поле, линии напряженности которого составляют угол с направлением потока нейтрона. Чувствительность способа к обнаружению массы нейтрино весьма велика и определяется ее наличием в максимальной граничной энергии распада, которая существенно влияет на спектр при измерениях. В способе используется большое число контрольных измерений, которые обеспечивают надежность получаемых результатов. 3 ил.

1396104 гпа m, х=

Л

1 макс=

fx (v) = f ((v . dv ч (Т)= 1 — — — а

1 N

2 No где 1 1о= ъч „(Т) О

w,(Т) dT)

55 сачивающихся через сетку с потенциалом (энергией) Т из объобъема соленоида;

Изобретение относится к измерению распада радиоактивных веществ.

Целью изобретения является повышение чувствительности.

Для осуществления предложенного способа определения массы нейрино в качестве наиболее интенсив:юго источника медленных нейтронов используется атомный реактор, для осуществления монохроматизации нейтронов использук)тся синхронно вращающиеся щелевые роторы, подвешенные в магнитном поле, для осуществления однородного магнитного поля используется соленоид, для измерения проекций энергий протонов на направление однородного магнитного поля на концах соленоида используются проволочные сетки, которые расположены перед детектором протонов и на которые подаются электростатические потенциалы разной величины.

Для того, чтобы отделить протоны, возникающие при распаде нейтронов, от нейтронов поток последних направляется под углом к оси соленоида, т.е. под углом к направлению его однородного магнитного поля.

Теоретическим обоснованием предлагаемого способа является утверждение в теории вероятности о том, что у вектора направление которого в пространстве случайно, и величина также случайна и не зависит от направления, вероятностные свойства величины такого вектора полностью определяются распределением величины его проекций на выделенное направление (например, на ось х). Аналитическая связь плотности распределения f(v) величины вектора с распределением fx(v) величины его проекций на выделенное направление (ось х) определяется выражением где v „,— максимальная величина вектора в распределении f(v). Если под V понимать величину вектора скорости, то в переменных кинетической энергии Т написанное распределение примет вид

Скорость протона, вылетевшего при распаде неполяризованного свободного нейтрона, полностью удовлетворяет указанным требованиям. Если распад нейтрона с малой (нулевой) скоростью происходит в однородном магнитном поле соленоида, ось которого совпадает с осью х, то на выходе из торцов соленоида имеет место распределение проекций скоростей протонов или их кинетических энергий на ось х.

Распределение протонов w (T) при распаде свободных нейтронов теоретически рассчитано и дано в работе \

« (Т) ЙТ= const (а " 1(1 — o )

2 а —

10 х- „) 2о — х

2 о+х

+), (2(l+ + o) " (l —,))1 ctt, 15 где о= 1 — --ф Т; Л=гпа — m(, Z= m.+гпр, 2гп

20 m„, гпр, mz m, — соответственно массы нейтронов, протона электрона, нейтрино. Распределение проекций w„(T) на направление однородного магнитного поля (на ось х) вычисляется по формуле (1).

На фиг. 1 прдставлена экспериментальная установка по определению массы нейтрино предлагаемым способом, на фиг. 2— спектр протонов; на фиг. 3 — зависимость спектра протонов от массы нейтрино.

Светосильный нейтронный монохроматор имеет десять синхронно вращающихся роторов 1 и выделяет из ротора нужный поток медленных нейтронов с заданной энергией. Нейтроны направляются в соленоид

2, ось которого составляет угол a=4 с нейтронным пучком. На концах соленоида

2 имеются сетки 3 и 4, на которые попеременно подаются электростатические потенциалы по величине от нуля до =800 В (максимальная энергия протона при распаде нейтрона 751 эВ), а также имеются электроды 5 и 6 с ускоряющими и фокусирующими потенциалами. Нейтронный детектор

7 служит в качестве мониторного в контрольных измерениях Счет N, протонных детекторов 8 представляется в нормирован45 ном Виде по формуле

dT — полное число протонов, вылетающих из одного конца соленоида; — число протонов, про1396104

1иакс максимальная кинетическая энергия протона при распаде нейтрона, зависящая от массы нейтрино, если последняя не равна нулю.

В процессе измерений переключение всех режимов (изменение потенциалов на сетках, последовательность их подачи) осуществляется автоматически с высокой частотой, информация накапливается в памяти и непрерывно обрабатывается микроЭВМ, которая включается в линию с экспериментом.

Для уменьшения асимметрии измерения выполняются циклами с перестановкой детекторов и переворотом соленоида на 180 .

При изложенной процедуре измерений исключается влияние дрейфа потока реактора, измерительной аппаратуры и внешних условий. Каждый протонный детектор, когда на ближайший к нему максимальный потен- 20 циал, измеряет фон. Таким образом, фон постоянно измеряется на обоих концах соленоида и учитывается во всех расчетах.

В изложенном эксперименте измеренный спектр протонов выглядит так, как он показан на фиг. 2 (спектр вычислен на ЭВМ по приведенным формулам).

На фиг. 3 показано, что будет, если измеренный по предлагаемому способу спектр протонов зависит от массы нейтрино, и его сравнивать с теоретическим, в котором мас- g0 са нейтрино равнялась нулю. Приведены разности «экспериментального» спектра, рЬль которых играл вычисленный для массы нейтрино 100 эВ, с теоретическими, которые нормировались при вычислении на одну из точек «экспериментального» спектра. Видно, что теоретические спектры пересекают «эспериментальный», причем точкой пересечения служит та, которая была принята как нормировочная. Наибольшая чувствительность (кривые I, II, III) получается при нормировке к точке, находящий- 40 ся в конце «экспериментального» спектра.

В этом случае разность «экспериментального» спектра с теоретическим почти на уровне 10 и это значит, что можно почувствовать массу нейтрино на уровне нескольких электроновольт, если экспериментальный 4> спектр измерить с точностью 10 ". Такая точность в определении массы нейтрино превышает существующую почти на порядок.

В измерениях вместо трития используются свободные нейтроны, которые являют- 50 ся идеальным объектом для исследования р-распада и соответственно для обнаружежения массы нейтрино.

В измерениях вместо спектра электронов исследуется спектр протонов, которые из-за большой массы менее чувствительны к различным фоновым эффектам, мешающим в измерениях. В измерениях используется спектр проекций протонов на выделенное направление и это сильно унс m IHвает их чувствительность к обнаружению массы нейтрино, так как эти измор IffiH ущественно зависят от Т», которое v î,:í ржит массу нейтрино, если она от, н md от нуля. Влияние массы нейтрино на спектр проекций протонов выделено тем, что только оно дает пересечение теоретического. спектра с экспериментальным и эта выделенность весьма важна для обнаружения массы нейтрино. Измерения осуществляют с помощью соленоида в условиях 4л-геометрии и это сильно увеличивает интенсивность исследуемого излучения.

Поиск массы нейтрино осуществляют на всем спектре р-распада с полным использованием его интенсивности.

Для определения точности предлагаемого способа используются контрольные эксперименты, основанные, в частности, на том, что при измерении спектра протонов должен выполняться ряд точных равенств, которые являются следствием изотропности разлета протонов при распаде свободных нейтронов (скоростью распадающихся медленных нейтронов пренебрегают).

При нулевом потенциале на сетках соленоида из его концов должно вылетать точно одинаковое число протонов, при наличии потенциалов на сетках увеличение числа протонов, вылетающих из одного конца соленоида, должно точно равняться уменьшению числа протонов, вылетающих из противоположного конца; при максимальном потенциале на одной из сеток соленоида через другой его конец должно вылетать полное число протонов и это число должно быть точно в два раза больше числа. которое реализуется в пункте 1.

Суммы чисел протонов, зарегистрированных из обоих концов соленоида, должны быть при любых потенциалах на сетках точно равны для одинаковых показаний нейтронного монитора. Поскольку интенсивность нейтронов огромна, то его показания статистически обеспечиваются до очень высокой точности.

Перечисленные равенства должны выполняться с той точностью, с какой экспериментальные результаты выдаются. В противном случае данные измерений рассматриваются как недостоверные.

Контрольные эксперименты, связанные с определением искажений, вносимых сетками с электростатическим потенциалом на измеряемый спектр, основаны на том, что направленная скорость распадающихся нейтронов по своему влиянию на измеряемый спектр протонов эквивалентна потенциалу

Т на сетке и эту эквивалентность можно представить равенством

Т=ń—, " m„ где ń— известная, заданная энергия медленных нейтронов;

m„, m — массы нейтрона и протона.

Искомое искажение исследуется пу t см сравнения спектров протонов при разных значениях Т со спектрами протонов, измеренных при соответствующих им энергиях.

Влияние неоднородности магнитного поля соленоида можно исследовать путем измерения спектра протонов при разных размерах объема соленоида, из которого извлекаются для измерений протоны. Для этого просто изменяется размер входных окон у протонных детекторов.

Контрольные эксперименты, связанные с влиянием угловой ра<.ходимости нейтронного пучка (для этого немного изменяется длина нейтронного коллиматора), с углом наклона соленоида относительно нейтронного пучка, контрольные эксперименты с проионной пушкой, с моделированием распадов на ЭВМ при известном распределении магнитного поля в соленоиде, измерены с необходимой точностью.

В предложенном способе для каждой воз- э0 можной ошибки при измерении протонного спектра можно найти соответствующий контрольный эксперимент для ее исследования и внесения необходимых поправок или полного ее устранения.

Формула изот ретения

Способ определения массы нейтрино, включающий измерение продуктов распада радиоактивных ядер, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности способа, измеряют продукты распада свободного нейтрона, для чего формируют с заданной энергией поток медленных монохроматических нейтронов, направляют его в однородное магнитное поле, линии напряженности которого составляют угол с направлением потока нейтронов, на входе и выходе однородного магнитного поля помещают для регистрации протонов от распада нейтронов детекторы, каждый из которых имеет на входе электростатическое поле с изменяющейся величиной, измеряют проекции энергий протонов на направление однородного магнитного поля, по измеренным значениям находят спектр проекций в зависимости от их энергий, сравнивают этот спектр с теоретическими, вычисленными для разных предполагаемых масс у нейтрино, на основании результатов сравнения делают в пределах точности выполненных измерений заключение о наличии, о величине или об отсутствии массы у нейтрино.

1396104

850 700 75О

Ф г 2

Составитель Б. Рахманов

Редактор Л. Повхан Техред И. Верес Корректор М. Пожо

Заказ 1974/48 Тираж 522 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4