Zyklotronstrahlung eröffnet neue Möglichkeiten zur Messung der Neutrinomasse • ​​Igor Ivanov • Science News zu "Elementen" • Physik

Die Zyklotronstrahlung eröffnet neue Möglichkeiten zur Messung der Neutrinomasse

Abb. 1. Das Project 8-Logo zeigt den Tritium-Beta-Zerfallsprozess, bei dem ein Elektron und ein Antineutrino entstehen. Die neue Technologie der genauen Messung der Elektronenenergie wird Physikern die Möglichkeit geben, die Neutrinomasse zum ersten Mal zu messen. Bild von project8.org

Die ersten Ergebnisse des Projekts 8 bewiesen die Durchführbarkeit einer neuen Technik zur Messung der Energie von Elektronen – entsprechend der Frequenz ihrer Zyklotronstrahlung. Diese Methode arbeitet nacheinander mit nichtrelativistischen Elektronen und misst ihre Energie zerstörungsfrei. Auf der Grundlage dieser Methode wird es möglich sein, direkt die Neutrinomassen zu messen, die wegen ihrer Kleinheit noch nicht messbar sind.

Direkte Neutrinomassenmessungen

Neutrinos sind die kapriziösesten aller bekannten Elementarteilchen. Mit ihnen sind sofort mehrere Rätsel verbunden, über die schon viele Lehrmaterialien geschrieben sind. Einer von ihnen ist der Ursprung der Neutrinomassen, die die meisten Physiker der bisher unbekannten Neuen Physik zuschreiben. Im Allgemeinen sind Neutrinos von drei Arten – Elektron, Myon und Tau-Neutrino, in Übereinstimmung mit dem Paar, mit dem sie Lepton geboren werden. Diese Leptonidentität ist jedoch, bedingt gesprochen, verschwommen.Dies führt zu dem bemerkenswerten Phänomen der Neutrinooszillationen: Wenn ein Elektron-Neutrino in einem Prozess geboren wird, kann es nach einem Kilometer vom Geburtsort teilweise myonisch werden, und nach einem weiteren Kilometer kann es wieder seine elektronische Identität wiederherstellen.

Oszillationen zeigen an, dass die Neutrinomassen nicht Null sind. Darüber hinaus betonen sie die bemerkenswerte Eigenschaft von Neutrinos: Ihre "Massenidentität" entspricht überhaupt nicht der Leptonidentität. Ein Neutrino mit einer bestimmten Masse ist kein Elektron, kein Myon- oder Tau-Neutrino, sondern eine Kombination davon. Umgekehrt hat ein Neutrino mit einer bestimmten Leptonidentität, beispielsweise ein Elektron-Neutrino, keine feste Masse, sondern eine Kombination von Neutrinos unterschiedlicher Masse. Dies erscheint vom alltäglichen Standpunkt aus paradox, ist aber im Einklang mit der Quantenmechanik. Wir können sagen, dass Neutrinooszillationen eine makroskopische Abbildung der Quantengesetze im Kilometermaßstab sind.

Die Messung der Länge der Oszillationen erlaubt uns, die Massendifferenz des Neutrinos, oder besser gesagt, die Differenz der Quadrate der Massen zu finden. Diese Messungen sagen jedoch nichts darüber aus allgemein Massenskala.Sie sollten irgendwo im Bereich von Millielektronenvolt (meV) liegen, aber ob es Einheiten, Zehner oder Hunderte von meV sein wird, ist unbekannt (Fig. 2). Es ist notwendig, diese Massen zu lernen, um zu verstehen, welches der Hunderte von theoretischen Modellen der Neutrinoeigenschaften zu bevorzugen ist. Dies kann nur durch ein Experiment geschehen – aber von einer anderen Art, nicht oszillierend, aber spektroskopischbasierend auf genauer Messung der Elektronenenergie in radioaktiven Zerfällen.

Abb. 2 Die Massen aller Fermionen des Standardmodells, organisiert in drei Generationen. Im Gegensatz zu den Massen von Quarks und geladenen Leptonen sind die Massen von Neutrinos immer noch unsicher. Graph von J. J. Gomez-Cadenas et al., 2012. Die Suche nach neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall

Betrachten Sie dazu das Atom Tritium – instabiles Isotop von Wasserstoff. Der Kern von Tritium wird durch Beta-Zerfall in drei Teilchen umgewandelt – Helium-3, Elektron und Antineutrino (Fig. 3). Abhängig davon, wie diese drei Teilchen relativ zueinander auseinander fliegen, kann das Elektron unterschiedliche Energie haben (tatsächlich wurde deshalb vor 80 Jahren die Existenz von Neutrinos vermutet). Die größte dieser Energien wird in den extrem unwahrscheinlichen Fällen sein, in denen das Elektron und das Neutrino streng in eine Richtung fliegen.Und je nachdem, ob das Neutrino Masse hat oder nicht, wird diese maximale Elektronenenergie auch etwas anders ausfallen. Durch Messung der Elektronenenergie am äußersten Rand des Spektrums kann man die Masse des Neutrinos berechnen.

Abb. 3 Beta-Zerfall von Tritium zu Helium-3, Elektron und Antineutrino. Bild von nist.gov

Es ist leicht zu sagen, aber schwer zu tun. Schau dir das Bild an. 4, wo das Spektrum der Elektronen im Zerfall von Tritium gezeigt wird, und beachten Sie, wie unbedeutende Differenz benötigt wird, um experimentell aufgezeichnet zu werden. Nicht nur diese Region – die letzte Elektron-Volt-Spektralverteilung – macht weniger als ein Billionstel aller Zerfälle aus, es ist auch notwendig, diese Energie mit einer Genauigkeit unterhalb der Elektronenspannung zu messen. Und hier liegt das Hauptproblem: Trotz der mehr als ein halbes Jahrhundert Meßgeschichte (D. R. Hamilton et al., 1953. Obere Grenzen der Neutrinomasse aus dem Tritium-Beta-Spektrum) ist eine solche Genauigkeit immer noch nicht erreichbar. In zwei jüngsten Experimenten, in Troitsk (VN Aseev et al., 2011. Obergrenze für das Elektronenexperiment) und in Mainz (C. Kraus et al., 2005. Endergebnis aus Phase II des Mainzer Neutrinos Massensuche Tritium-β-Zerfall), wurden ähnliche Ergebnisse erhalten: Die Neutrinomasse konnte nicht gemessen werden und nur die obere Grenze von etwa 2 eV wurde festgestellt (siehe auch V. Ionovs populäre Erzählung "Die Suche nach Neutrinomasse in Tritium-Beta-Zerfallsexperimenten").

Abb. 4 Spektrum von Elektronen beim Beta-Zerfall von Tritium: eine allgemeine Ansicht (auf der linken Seite) und in starker Vergrößerung die Region nahe der oberen Grenze des Spektrums. Blaue und rote Linien zeigen das erwartete Spektrum für den Fall eines masselosen Neutrinos oder Neutrinos mit einer Masse von 1 eV. Bild von katrin.kit.edu

Das ist natürlich immer noch sehr viel, schließlich kann die Neutrinomasse zwei bis drei Größenordnungen weniger betragen. Daher ist es notwendig, nach Möglichkeiten zu suchen, das Experiment genauer zu machen und vor allem die Messfehler der Elektronenenergie zu reduzieren. Nun bereitet eine riesige Installation KATRIN (Abb. 5) den Start vor, die es in ein paar Jahren Arbeit ermöglichen wird, diesen Wert um eine Größenordnung auf 200 meV zu reduzieren. Sie ist fast bereit zu arbeiten und wird 2016 mit der Datensammlung beginnen. Parallel dazu werden jedoch andere Projekte entwickelt, die nicht auf große Beträge angewiesen sind, sondern auf neue Ideen.

Abb. 5 Vergleichsgrößen der Arbeitsvolumina in zwei zukünftigen Tritium-Experimenten: das KATRIN-Experiment (auf der linken Seite) und experimentieren Projekt 8 (auf der rechten Seite). Fotos von den Seiten backreaction.blogspot.com und project8.org

Eines dieser konkurrierenden Experimente, Projekt 8, hat kürzlich den ersten wichtigen Schritt nach vorn gemacht. Die Zusammenarbeit dieses Projekts veröffentlichte den Artikel Einzelelektronen-Detektion und Spektroskopie über relativistische Zyklotronstrahlung im Journal Physische ÜberprüfungsschreibenIn dem Bericht über die erfolgreiche Demonstration einer neuen Technologie ist das Hauptziel dieses Experiments die Zyklotronspektroskopie von Elektronen.

Elektronen-Zyklotron-Spektroskopie

Die eigentliche Idee der Zyklotronspektroskopie für die potentielle Neutrinomassenmessung wurde vor nicht allzu langer Zeit im Jahr 2009 veröffentlicht (B. Monreal und J. A. Formaggio, 2009). Sein Salz ist was es ist. Normalerweise, wenn wir nicht sehr energiereiche Elektronen haben, wird ihre Energie gemessen, indem man einfach dieses Elektron absorbiert und seine Energie in Ionisierung von Materie und Licht umwandelt. Eine solche Messung ist unbequem, da sie einzeln ist und das zu messende Objekt vollständig eliminiert. Was für ein Fehler diese Messung haben wird, es wird so bleiben, für jedes einzelne Elektron kann es nicht verbessert werden. Im Gegensatz dazu misst die Zyklotron-Spektroskopie-Methode Elektronenenergie auf eine zerstörungsfreie Weise. So können Sie die Messung über dasselbe Elektron viele Male wiederholen und dadurch die Messgenauigkeit drastisch verbessern.

Es ist so gemacht. Das während des Zerfalls emittierte Elektron tritt in ein starkes Magnetfeld ein und dreht sich in einem Kreis mit einer bestimmten Frequenz (diese Frequenz wird Zyklotron genannt). Dabei emittiert er elektromagnetische Strahlung bei dieser Zyklotronfrequenz (für die beschriebenen Experimente liegt er im Mikrowellenbereich). Für ein vollständig nicht-relativistisches Elektron ist die Zyklotron-Strahlungsfrequenz ω0 bestimmt nur durch das Magnetfeld und kommt nicht darauf an aus Elektronenenergie. Wenn sich die Elektronengeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit nähert – und die Geschwindigkeit des Tritiumelektrons bereits ein Viertel der Lichtgeschwindigkeit erreicht – ist die Zyklotronfrequenz bereits ω (E) = ω0/ γ, wobei γ ein relativistischer Faktor ist, der Lorentz-Faktor. Dadurch ist die Frequenz bereits abhängig von der Energie: Je mehr Energie, desto niedriger die Frequenz. Es ist wahr, diese Abhängigkeit ist ziemlich langsam, da der Lorentz-Faktor nur wenig von der Einheit abweicht. Trotzdem ist es. Daher wird eine ziemlich genaue Messung der Strahlungsfrequenz in einem bekannten Magnetfeld zeigen, wie viel Energie ein Elektron hat.

Ein Rückzugsort für diejenigen, die bereits auf Synchrotronstrahlung gestoßen sind und nun das Zyklotron zum ersten Mal sehen. Beide sind Strahlung von Elektronen, die sich in einem Magnetfeld bewegen. Der Unterschied besteht darin, dass Synchrotronstrahlung von einem Hochenergieelektron emittiert wird auf kurzem Weg Trajektorien und Zyklotronstrahlung wird von einem nichtrelativistischen Elektron emittiert sofort mit allen sein Bahnkreis. Synchrotronstrahlung ist eine lokale Elektronenantwort in Reaktion auf die Tatsache, dass sich ihr Weg gedreht hat; diese Strahlung bricht hier und jetzt,und wo das Elektron weiter geht und wenn sich seine Bahn schließt, spielt es keine Rolle. Zyklotronstrahlung ist ein kohärenter Effekt der gesamten Flugbahn, sie ist das Ergebnis einer periodischen Bewegung eines Elektrons. Das ist eigentlich die Emission eines Photons während des Übergangs eines Elektrons von einem Niveau zu einem Niveau, aber nicht im Atom, sondern in einem externen Magnetfeld. Es wird sofort in alle Richtungen emittiert, so dass es zweckmäßig ist, den Wellenleiter zusammenzusetzen und auszugeben.

Wenn die bloße Idee, die Elektronenenergie aus Zyklotronstrahlung zu messen, einfach erscheint, ist ihre experimentelle Implementierung sehr mühsam. Einerseits ist die Intensität der Strahlung eines einzelnen Elektrons sehr klein: In einem starken Magnetfeld von 1 Tesla liefert ein Elektron eine Stärke in der Größenordnung von einem Femto-Watt. Auf der anderen Seite ist die Energie eines Elektrons auch klein und in Sekundenbruchteilen wird alles für Strahlung ausgegeben. Diese beiden Bedingungen stellen hohe Anforderungen an den Mikrowellenphotonensensor: Er muss empfindlich und gleichzeitig schnell genug sein. Wenn das Signal zu lange akkumuliert wird, verliert das Elektron einen signifikanten Teil der Energie, die Strahlungsfrequenz "schwebt" weg und das ganze Bild wird verschmiert.

Demonstration der Technologie im Experiment Projekt 8

Ein kürzlich erschienener Artikel des Collaboration Project 8 beschreibt die erste Implementierung der vorgeschlagenen Technik der "stückweisen" Messung von Elektronenenergie. Für dieses Experiment wurde das langlebige Isomer Krypton verwendet. 83 mKr (Halbwertszeit ist fast zwei Stunden). Sein Zerfall (interne Umwandlung) verläuft wie folgt: Der Kern emittiert ein Gamma-Quantum, das nicht wegfliegt, sondern genau dort im Inneren des Atoms absorbiert wird und ein Elektron ausstößt. Anders als beim Beta-Zerfall, bei dem ein Elektron in einem weiten Bereich Energie haben kann, fliegt hier nur ein Elektron ohne Neutrinos aus dem Atom. Ihre Energie wird von der Elektronenhülle, aus der sie herausgeschlagen wurde, eindeutig aufgezeichnet, so dass das elektronische Spektrum ein Lattenzaun einzelner Linien ist.

Im Projekt 8-Experiment wurde eine kleine Zelle (Abb. 5, rechts) mit Paaren von radioaktivem Krypton gefüllt, das als Ergebnis des Abbaus von Rubidium-83 erhalten wurde. Die Zelle wurde in einem gleichförmigen Induktionsfeld von 1 Tesla platziert und in ihrer Mitte wurde zusätzlich eine Magnetfalle zur Aufnahme von Elektronen für mindestens einige Millisekunden erzeugt. "Kreise schneiden" in einem Magnetfeld emittierten die Elektronen Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von etwa 25 GHz, die einem Wellenleiter zugeordnet war, durchströmten einen rauscharmen Radioverstärker und wurde von einem empfindlichen Sensor aufgenommen.Die gesamte Anlage wurde natürlich auf niedrige Temperaturen abgekühlt – dies ist sowohl für den supraleitenden Magneten als auch für die Unterdrückung von thermischem Rauschen im Strahlungssensor notwendig.

In Abb. 6 zeigt das Ergebnis der Messung der Strahlungsfrequenz von einem einzelnen Elektron mit einer Energie von etwa 30 keV während der ersten Millisekunden nach seinem Austritt aus dem Atom (dieser Zeitpunkt entspricht dem Beginn des ersten Streifens). Entsprechend den Erwartungen wuchs die Frequenz der emittierten Photonen, während das Elektron Energie verlor. Der empfindliche Sensor akkumulierte das Signal von der Strahlung ziemlich schnell, so dass die Frequenzdrift mit einer Genauigkeit im Submillisekundenbereich überwacht wurde. Von Zeit zu Zeit kollidierte das Elektron jedoch mit Gasatomen und verlor einen kleinen Teil seiner Energie; abrupte Sprünge in Abb. 6. Aber das ist ein Nebeneffekt. Die Hauptsache ist, dass die Streifen selbst dünn und kontrastreich sind, was es ermöglicht, die anfängliche Elektronenenergie mit guter Genauigkeit zu bestimmen.

Abb. 6 Die Frequenz der Radioemission, die von einem einzelnen Elektron im Magnetfeld einer Falle emittiert wird. Nach Farbe Die Häufigkeitsverteilung der detektierten Strahlungsleistung ist im Vergleich zu dem Rauschpegel in jedem 30-Mikrosekunden-Zeitintervall gezeigt. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Physische Überprüfungsschreiben

Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist die Unsicherheit der Messung der Frequenz bisher Zehntel Megahertz. In Bezug auf die Elektronenenergie entspricht dies einem Fehler von einigen zehn eV. Ja, es ist immer noch ein bisschen zu viel, um die derzeitige Neutrino-Massengrenze zu verbessern. Aber das ist nur die allererste Demonstration der Methode, durchgeführt in einem völlig kleinen Arbeitsvolumen. Da die Technologie keine riesigen Installationen und hohe Kosten erfordert, sondern allein auf die Empfindlichkeit des Sensors und die Reinheit des Experiments angewiesen ist, kann erwartet werden, dass die Genauigkeit von Messungen in der Zukunft signifikant zunehmen wird. Dann wird es möglich sein, das Tritium in der Installation zu starten und zu versuchen, die Neutrinomasse zu "finden". Natürlich wird KATRIN beauftragt werden und seine Ergebnisse erhalten, bevor Project 8 seine Sensitivität übertrifft. Auf lange Sicht ist es jedoch Projekt 8, das aufgrund seines technischen Potentials eine Chance hat, sogar noch weiter zu gehen, bis zu einer Tiefe von Milli-Elektronenvolt.

Abb. 7 Notieren Sie die Messwerte eines Fotosensors, der Synchrotronstrahlung von einem Elektronenstrahl aufgenommen hat, der nur wenige Elektronen enthält.Getrennte Schritte entsprechen den Einspritzmomenten und Elektroneneliminierungen. Bild von C. Bernardini, 2004. AdA: Der erste Elektron-Positron-Collider

Schließlich ist es interessant, einen weiteren Moment festzuhalten. Denken Sie nicht, dass dies das erste Beispiel für eine Registrierung ist zumindest einige Strahlung von einem einzelnen Elektron. Hochenergetische Elektronen in einem Magnetfeld leuchten gut und eifrig – aber das Synchrotron Strahlung Es gibt so eine schöne historische Skizze. Als der AdA Collider in den 1960er Jahren in Italien – einer der ersten Collider überhaupt – gebaut wurde, hatten Physiker die Aufgabe, die Intensität des zirkulierenden Strahls in Echtzeit zu verfolgen. Sie haben sich dafür entschieden, dies mit ihrer Synchrotronstrahlung zu tun. Der Sensor wurde installiert, aber er musste kalibriert werden – das heißt, um das Lichtsignal von einem Strahl bekannter Intensität zu messen. Also wurde diese Intensität so stark reduziert, dass nur noch wenige Elektronen im Strahl verblieben und im Laufe der Zeit nacheinander eliminiert oder in den Strahl injiziert wurden. Der Fotosensor, der in den Hochempfindlichkeitsmodus geschaltet wurde, zeichnete das gestufte Strahlungshelligkeitsprofil perfekt auf (Fig. 7).Insbesondere entsprach die unterste Stufe dem Synchrotron-Leuchten von einem einzelnen Elektron, das in einem Speicherring rotierte.

Wir wiederholen also erneut, dass im Experiment Projekt 8 nicht nur die Strahlung zuerst detektiert wurde, sondern Zyklotronstrahlung von einem einzelnen nicht-relativistischen Elektron. Und wir müssen den Experimentatoren Tribut zollen – dieser Effekt ist viel schwächer als die Synchrotronstrahlung.

Quellen:
1) D. M. Asner et al. (Projekt 8 Zusammenarbeit). Einzelelektronen-Detektion und Spektroskopie über relativistische Zyklotronstrahlung // Physische Überprüfungsschreiben, 114, 162501 (20. April 2015); Der Artikel ist auch im Archiv der elektronischen Preprints verfügbar.
2) P. Huber. Standpunkt: Zyklotronstrahlung von einem Elektron // Physik 8, 36 (2015).

Igor Iwanow


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