Бета-распад нейтрона и Стандартная Модель
DESCRIPTION
Бета-распад нейтрона и Стандартная Модель (измерение времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов). А.П. Серебров, ПИЯФ РАН. 12 мая 2005 года, Москва Марковские чтения. β -распад нейтрона, Стандартная Модель и космология - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1
Бета-распад нейтрона и Стандартная Модель
(измерение времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов)
12 мая 2005 года, МоскваМарковские чтения
А.П. Серебров, ПИЯФ РАН
2
1. β-распад нейтрона, Стандартная Модель и космология
2. Измерения времени жизни нейтрона, история, экспериментальные
результаты
3. Измерение времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой
ультрахолодных нейтронов
а) Измерения n на реакторе ВВР-М, Гатчина
б) Изучение проблемы аномальных потерь УХН
в) Измерение n на высокопоточном реакторе ILL, Гренобль
4. Анализ новых результатов (Стандартная Модель и космология)
5. Перспективы исследований – увеличение точности измерений
времени жизни нейтрона и асимметрий β-распада нейтрона
3
Kobayashi-Maskawa mixing matrix:
β-распад нейтрона и Стандартная Модель
V F udG G V
A0 2
V
1G A 2
G 1 3
ud us ub
cd cs cb
td ts tb
d V V V d
s V V V s
b V V V b
u
n d
d
u
d p
u
e-
eW-
GA
GV
2
ud 2n
4908 4 секV
1 3
R R 2 2 2
ud F
kft 1 1
V G 1 3
4
β-распад нейтрона и Стандартная Модель(статус в 2003)
2 2 2
ud us ubV V V
1 0.9924(28)
0.0076(28) 2.7
2
ud
2
us
2
ub
V 0.9717(13)
V 0.2196(23)
V 0.0036(9)
5
β-распад нейтрона и космология
Δ 1% Δ =0.75% 0.61%
Δ 1% Δ =17% 3.3%
n
n
Y
2
1 2 53
1 32F
n A e
Gf g m
6
1985 1990 1995 2000 2005820
840
860
880
900
920
940
878.5±0.8
885.7±0.8
new result
neut
ron
lifet
ime
(),
s
year
world average
Измерения времени жизни нейтрона, история, экспериментальные результаты
Lifetime τ[s] Method Ref./Year
878.5 0.8 Storage of ultra-cold neutrons A. Serebrov et al. 2005
886.8 3.42 Neutron beam experiment M.S. Dewey et al. 2003
885.4 0.95 Storage of ultra-cold neutrons S. Arzumanov et al. 2000
889.2 4.8 Neutron beam experiment J. Byrne et al. 1995
882.6 2.7 Storage of ultra-cold neutrons W. Mampe et al. 1993
888.4 3.1 1.1 Storage of ultra-cold neutrons V. Nesvizhevski et al. 1992
878 27 14 Neutron beam experiment R. Kosakowski 1989
887.6 3.0 Storage of ultra-cold neutrons W. Mampe et al. 1989
877 10 Storage of ultra-cold neutrons W. Paul et al. 1989
876 10 19 Neutron beam experiment J. Last et al. 1988
891 9 Neutron beam experiment P. Spivac et al. 1988
872 8 Storage of ultra-cold neutrons A. Serebrov et al. 1987
870 17 Neutron beam experiment M. Arnold et al. 1987
903 13 Storage of ultra-cold neutrons Y.Y. Kosvintsev et al. 1986
875 95 Storage of ultra-cold neutrons Y.Y. Kosvintsev et al. 1980
937 18 Neutron beam experiment J. Byrne et al. 1980
881 8 Neutron beam experiment L. Bondarenko et al. 1978
918 14 Neutron beam experiment C.J. Christensen et al. 1972
885.8 0.9 world average 1998 H. Abele 2000
n=6.5
7
Методы измерения времени жизни нейтрона
stor .t /0N N e
1 1 1stor. n loss.
1p n n pN N t v
(пучковый, хранение УХН)
8
V iW
2x A coskx 2 2Im xx Be æ
2
2mk E
2
2mV E
æ
22 1 i / k
R1 i / k
æ
æ
2 E1 R 2 k /
V E
æ = 2
abs inelW Imb
V Reb 2 Reb
7 -7 Be 3 10 3.7 10
n – number of collisions
6storage n t 10 s
Neutron lifetime could be measured directly: corrections for losses are much less than 1 s.
2
8 O 10 for solid oxygen much
better!
t 0.5 s
6n=2.7 10
Прецизионные измерения времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов
(оценка возможностей метода)
9
n = 888.43.11.1 s(PNPI-JINR)
= GA/GV = -1.25940.0038B = 0.98940.0083 (PNPI)B = 0.98210.0040 (PNPI-ILL)(PNPI-IAE)
Parameters of universal cold neutron source:• 6 liters of liquid Н2
• heat release 2 кW • record flux of polarized cold neutrons fc = 1.8109 n/(scm2) Ф = 91010 n/s• UCN ~ 10 n/cm3
(первый результат эксперимента с гравитационной ловушкой УХН, бериллиевое покрытие, покрытие из твердого кислорода)
Прецизионные измерения времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов
10
(первый результат эксперимента с гравитационной ловушкой УХН, бериллиевое покрытие, покрытие из твердого кислорода)
0,0
3,0x10-5
6,0x10-5
9,0x10-5
1,2x10-4
1,5x10-4
Температура, К
Ф
акт
ор
по
тер
ь (
)
Температурная зависимость фактора потерь УХН для различных бериллиевых ловушек:1 – сферическая, напыленная бериллием ловушка, необезгаженная;2 – цилиндрическая, напыленная бериллием ловушка, обезгаженная (5 часов при 250ºC);3 – цельнометаллическая бериллиевая ловушка, обезгаженная (8 часов при 300ºC);4 – сферическая, напыленная бериллием ловушка, обезгаженная (28 часов при 350ºC с протоком He и D2);5– теоретическая температурная зависимость, вычисленная в рамках Дебаевской модели.
Результаты измерений как функция расчетного параметра . 1(Be) – экстраполяция к времени жизни нейтрона по данным для ловушек с бериллиевым покрытием, 2(O2) – экстраполяция к времени жизни нейтрона по данным для ловушек с кислородным покрытием и бериллиевым подслоем. ○ – результаты измерений для сферической ловушки, ● – результаты измерений для цилиндрической ловушки.
Probability of anomalous losses
n=888.4 ± 3.1 ± 1.1 с
Preliminary result with wide trap and solid oxygen coating: n=872 ± 8 c
11
Исследование проблемы аномальных потерь УХН, обнаружение явления деполяризации УХН, квазиупругое рассеяние УХН
Material Trap coating (Be) I (measurement in 1998)
(0,720,07)10-
5
Trap coating (Be) II (2,070,05)10-
5
Be foil
(measurements of 1998)
(1,580,20)10-
5
Be foil
(measurements of 2000)
(2,170,21)10-
5
Be coating on copper rings
(1,150,09)10-
5
Be coating on Al foil
(1,230,21)10-
5
UCN depolarization
0 10 20 30 40 50 60 700
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-1
loss
, 1
0-5 s
-1
E, cm
Be
LTF oil
Energy dependence of anomalous losses
Quasielastic scattering on the surface of fomblin-oil
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
background
Pro
ba
bili
ty o
f q
ua
si-e
last
ic s
catt
eri
ng
()
Co
un
ts p
er
cycl
e
Temperature, oС
0,0
2,0x10-6
4,0x10-6
6,0x10-6
8,0x10-6
1,0x10-5
1,2x10-5
12
(продолжение эксперимента в Гренобле, покрытие из низкотемпературного масла)
Setup for the measurement of n-lifetime at ILL (Grenoble, France)
Прецизионные измерения времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов
13
1 – neutron guide from UCN Turbine;
2 – UCN inlet valve;
3 – beam distribution flap valve;
4 – aluminium foil (now removed);
5 – “dirty” vacuum volume;
6 – “clean” (UHV) vacuum volume;
7 – cooling coils;
8 – UCN storage trap;
9 – cryostat;
10 – mechanics for trap rotation;
11 – stepping motor;
12 – UCN detector;
13 – detector shielding;
14 – evaporator
Схема экспериментальной установки с гравитационной ловушкой УХН
14
010-2
10-1
100
101
102
103
104
105
Co
un
t ra
te
700 1000 1500 2000 2500 30000
10
20
30
40
010-2
10-1
100
101
102
103
104
105
Co
un
t ra
te
700 1000 1500 2000 2500 30000
10
20
30
40
Time, s
2 1
1
2
ln
hold holdst
t t
N
N
Диаграмма измерений времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой УХН
15
Измерение времени жизни нейтрона методом хранения УХН
Im( )
Re( )F
F
U
U wall loss coefficient
E loss weighted wall collision frequ ency
1 11 1 (1)(2) (1)(1) 1 1
(1)1 1 (2) (2)(2)
(1) 1
storage storagestorage nn storage
storage n
E
E E
E
1 1 1storage n loss
Total probability of UCN losses:
Probability of losses in trap walls:
1loss E
16
0 10 20 30 40 50 60 700
10000
20000
30000
40000
Measurement of UCN spectrum
Co
un
t o
f ca
ptu
red
UC
N
Gravitational barrier height, cm
wide trap narrow trap
0 10 20 30 40 50 60 700
2
4
6
8
10
12
narrow trap wide trap
( )є
UCN energy, neV
*
*1 0
0
1( )v( )
4
( )
( ) ( )( )
( )
h
wall h
n
n
є mgh є mgh є mgh dS hє
є mgh dV h
* є
hmg
Расчет эффективной частоты соударений УХН со стенками ловушки
17
The chemical formula of LTF
contains only C, O and F.
Molecular weight -
Density at r.t. g/ml
Vapour pressure at r.t.
mbar
Fermi potential neV
Calculation based on cold
neutron transmission data
predicts for LTF at 190K
( Yu.N.Pokotilovski
, JETP 96, 2003) Trap surface is cooled to about -1500C
LTF evaporator is heated to +1400C
Vacuum
Схема распыления низкотемпературного масла на поверхность ловушки
18
-160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40
0
200
400
600
800 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40
800810820830840850860870880
Integral count during 1000 sof holding time
Temperature dependence of UCN storage time
b)
Cooling
Warming
Co
un
t/cy
cle
Trap temperature, oC
a)
U
CN
sto
rag
e ti
me,
s
Процесс подготовки покрытия к измерениям, подавление процесса квазиупругого рассеяния УХН на флуктуациях поверхности жидкого покрытия
19
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1,130x10-3
1,135x10-3
1,140x10-3
1,145x10-3
1,150x10-3
1,155x10-3
1,160x10-3
1/storage
, s-1 storage
, s
885
880
875
870
865
860
world average n=885.7(7)s
, s-1
The result of joint size and
energy extrapolation:
877.60 0.65 Jn s
878.07 0.73 Sn s
875.55 1.60En s
6(2.23 0.19) 10 2 0.95
Экстраполяция времени хранения к времени жизни нейтрона
The result of energy
extrapolation:
The result of size
extrapolation:
20
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1,130x10-3
1,135x10-3
1,140x10-3
1,145x10-3
1,150x10-3
1,155x10-3
1,160x10-3
1/storage
, s-1 storage
, s
885
880
875
870
865
860
world average n=885.7(7)s
, s-1
The result of energy
extrapolation has rather
strong dependence on
(E) function.
Statistical accuracy is
poor due to small base
of extrapolation.
875.55 1.6 n s
Экстраполяция к времени жизни нейтрона(энергетическая экстраполяция)
21
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65870
875
880
885
n-l
ifet
ime,
sAverage UCN energy, neV
878.07 0.73 n s
2 1.2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1,130x10-3
1,135x10-3
1,140x10-3
1,145x10-3
1,150x10-3
1,155x10-3
1,160x10-3
1/storage
, s-1 storage
, s
885
880
875
870
865
860
world average n=885.7(7)s
, s-1
Экстраполяция к времени жизни нейтрона(размерная экстраполяция)
Size extrapolation has rather weak dependence on (E) and we take it as the most reliable
22
800 900 1000 1100 1200 13000
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
Count
Time, s
experiment 10%, 100%
800 850 9000
10000
20000
30000
40000
Count
Time, s
narrow trap experiment 0.1% 1% 10%, 100%
Probability of diffuse scattering of UCN on LTF coating is more than 10%
Монте-Карло модель эксперимента(моделирование процесса измерений)
23
800 900 1000 1100 1200 13000
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
Count
Time, s
experiment 10%, 100%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-5,0x10-6
0,0
5,0x10-6
1,0x10-5
1,5x10-5
2,0x10-5
2,5x10-5
st -
n0, s-1
-10
-15
-5
n0
Gamma,1/s
diffusion 1% diffusion 10%
0
-1st - -1
n0, s-1
Systematic error of gamma calculation method is - 0.017 ± 0.236 s
Монте-Карло модель эксперимента(моделирование экстраполяции времени хранения УХН
к времени жизни нейтрона)
24
History of measurementsWide trap
1 4 evaporations of LTF ( 3; 3; 3; 3,2 ml)
2 new evaporation of LTF ( 3 ml)
3 warming to r.t., pumping 15 days and cooling
4 new evaporation of LTF ( 3 ml)
5 warming to r.t. and cooling
6 new evaporation of LTF ( 3 ml)
Narrow trap
1 3 evaporations of LTF ( 4,2 ; 2; 2 ml)
2 warming to r.t., pumping 2 months and cooling
3 new evaporation of LTF ( 2 ml),
warming to -30C and cooling
4 warming to r.t. and cooling
5 new evaporation of LTF ( 2 ml)
6 new evaporation of LTF ( 1,6 ml)
0 1 2 3 4 5 6 7
860
865
870
8752=0.58
2=1.15Narrow trap
Wide trap
Storage time, s
Run number 1 9 0.6 s* Be LTF Ti LTFst st .
The uncoated part of surface (4.41.3)10-
7
Изучение стабильности покрытия
25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
860
865
870
875
Cryopump on
Cryopump off
Cryopump on
Narrow trap
Wide trap
Storage time, s
Run number
Influence of the residual gas to UCN
losses was studied in additional
experiments:
• Method of worse vacuum
UCN storage time was measured at different vacuum conditions
(510-6 and 810-4 mbar ) Calculated correction for storage time is (0.4 ± 0.02)s and (p)=9.5 mbars
• Finally helium cryopump was installed close to UCN trap and measurements of UCN storage time were repeated (cryopump off and on)
Изучение влияния вакуума на результаты измерений
26
n [s] = 878.5 ± 0.7stat ± 0.3syst
Size extrapolation Value,s Uncertainty, s
n-lifetime 878,07 0,73
Systematic effect Value,s Uncertainty, s
Method of values calculation 0 0,236
Influence of mu-function shape 0 0,144
Spectrum uncertainties 0 0,104
Uncertainties of traps sizes(1mm) 0 0,058
Influence of the residual gas 0,40 0,024
Uncertainty of LTF critical energy (20 neV) 0 0,004
Total systematic effect 0,40 0,30
Окончательный результат для времени жизни нейтрона и ошибки измерений
27
Результат измерений времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой УХН и
Стандартная Модель
The new result is in agreement with Standard Model and with last result for A-asymmetry
28
Δ 1% Δ =0.75% 0.61%
Δ 1% Δ =17% 3.3%
n
n
Y
Результат измерений времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой УХН и
космология
29
30
st syst886 8 1.2 3.2 s.
31
32
887 6 3 s.
33
34
5 -1λ 10 s
5 -1ie thλ ε /ε 10 s
Last result
(Old result 882.6 2.7 s)
0 5 10 15 20 25 30 35100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
35
The last most precise result
n = 878.5 0.8 s
(2004) PNPI, ILL, JINR
36
Перспективы увеличения точности измерений времени жизни нейтрона и
асимметрий β-распада нейтрона
1. Проект измерения времени жизни нейтрона с точностью
n/n 0.310-3 (фактор увеличения точности 34 раза)
2. Проект измерения асимметрии А с точностью А/А 210-3
(фактор увеличения точности 3 раза)
37
Проект эксперимента для измерения времени жизни нейтрона с точностью n/n 0.310-3
Монте-Карло модель
Фактор увеличения статистической точности: 4.5 раза для широкой ловушки, 9 раз для широкой ловушки с перегородками.
800 1000 1200 14000
200
400
600
800
1000
1200
cou
nt
time, s
wide trap
38
Проект эксперимента для измерения асимметрии А с точностью А/А 210-3
Vacuum chamber Superconducting solenoid
39
Схема эксперимента, магнитный коллиматор
sin2θc = H0/Hm θc = 39H0 = 0.35 T H0/H0 = 210-3
210 mm, L=2690 mmHm = 0.87 T Hm/Hm = 210-3
150 mm, L=50 mm0 1000 2000 3000 4000
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
c=39o, E
e=200 keV
proton detectorelectron detector
y -
[mm
]
Z - [mm]
neutron beam
-4eσ
eσ
eσ
dcosθ=1.3×10
cosθ
cosθ 0.88835
0 2 4 6 8 100
2
4
6
8
10
0 1000 2000 3000 40000,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Distribution of magnetic field along axis in the correlation spectrometer
p-detector
e-detector
-decay area
ma
gn
etic
str
en
gth
, H
[A
/m]
distance, z [mm]
Hm
H0
[ T ]
40
Основные соотношения, задачи для достижения точности А/А ~ 10-3
ee
ee
where - probability of β-decay
- energy and momentum of electron
- momentum of antineutrino
- electron velocity
- neutron beam polarization
-
W E ,p ,p
E ,p
correlati
p
v
P
a, on coefficient, sA B
4 tasks:1. determination of average cosθ (1210-4)2. determination of electron energy (<10-3)3. determination of neutron beam polarization (1210-3)4. determination of experimental asymmetry X (ΔX/X <10-3)
e e ee e
v vW E ,p ,p =f(E ) 1 + a cos p ,p ± AP cos σ,p ± BPcos σ,p
c c
���������������������������������������������������� ����
eσN -N v
X= =A PcosθcN +N
e ν
e
Average cos p ,p =0
Average cos σ,p =0
We have to collect all protons!
����������������������������
41
Создание высокопоточного пучка поляризованных холодных нейтронов и измерение поляризации с
точностью 1.510-3
42
???
??????
??
Заключение о возможных перспективах прецизионных измерений β-распада нейтрона