Поиск резонансного поглощения аксионов, излучаемых при М1-переходе 57Fe на Солнце
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ндах, gA? - в ГэВ-1 и mA - в эВ, время жизни составляет:
(16)
Для mA = 1 эВ время жизни аксиона превышает возраст Вселенной.
При поиске солнечных аксионов следует учитывать возможность распада аксиона во время его полета до Земли. Аксион, испускаемый на Солнце может распасться при полете на Землю, что ограничивает изучение области больших значений .
Поток аксионов, достигший Земли, дается выражением:
(17)
время полета в с.ц.м. -
. (18)
Здесь L среднее расстояние между Солнцем и Землей и ? =.
Число A> распадов в объеме детектора V выражается:
(19)
Функция , рассчитанная для модели KSVZ-аксиона, показана на рис. 2. для различных значений .
Эксперименты по поиску распада аксиона на два гамма-кванта не чувствительны к малым значениям , поскольку в этом случае мала вероятность распада аксиона внутри объема детектор. С другой стороны, эксперименты не чувствительны и к большим значениям , потому что в этом случае аксион распадается в течение его полета от Солнца.
Другой процесс, зависящий от взаимодействия, это эффект Примакова - конверсия аксиона в фотон в поле ядра >. Интегральное сечение данной реакции равняется:
(20)
Поскольку сечение зависит от атомного номера как Z2, поэтому для поиска такой конверсии, как и в случае аксио-электрического эффекта, следует использовать детекторы с большим Z.
Рис. 2. Ожидаемое число распадов A> (1) и числа конверсий > (эффект Примакова) (2) для KSVZ аксиона. Линии 3,4 построены из расчета, что аксион не распадается на Солнце
3. Эксперименты по поиску аксионов
.1 Эксперименты по поиску стандартного аксиона
В оригинальной модели аксиона значение энергии, при которой происходит нарушение симметрии, определено fA ? 250 ГэВ, поэтому вероятности рассмотренных выше процессов могут быть точно вычислены. В первых экспериментах по поиску аксиона пытались обнаружить распад аксиона на электрон и позитрон: А е+ + е - [,,,]. Эта реакция возможна, если масса аксиона превышает 2mе. Время жизни аксиона относительно данного распада составляет:
(21)
Эксперименты были выполнены на ускорителях в схеме beam dump - высокоточный протонный пучок направлялся на медную мишень, аксионы должны были возникать при взаимодействии протонов с ядрами мишени. Вероятность процесса определяется константой взаимодействия аксиона с нуклонами gAN. Полученные экспериментальные ограничения на вероятность данного распада соответствовали значениям texp 107 tth для значения X=1, что практически свидетельствовало о том, что масса аксиона меньше 2mе.
Как отмечалось выше, если mA 2me, то наиболее вероятной модой распада является A 2g. Эксперименты по поиску данного распада были выполнены на реакторах [10,] и с искусственным радиоактивными источниками [10]. В ядерном реакторе аксионы испускаются в переходах магнитного типа в осколках деления. Ожидаемый поток аксионов оценивается как ~10-6 от потока нейтрино, который хорошо известен.
Поток аксионов от радиоактивных источников вычисляется более надежно, поскольку активность источника может быть определена путем регистрации ?-излучения. В качестве источников использовались ядра 137Ва [17] и 65Zn [10]. В результате распада, дочерние ядра оказываются в возбужденном состоянии, которое разряжается в переходах магнитного типа, в которых возможно излучение аксиона.
Рис. 3. Схема экспериментов по поиску распада аксиона на два ?-кванта. В качестве источника аксионов использовался ядерный реактор или искусственные радиоактивные источники. Детектирующая система представляла собой несколько NaI(Tl) детекторов, размещенных внутри пассивной защиты, включенных на совпадения
Общая схема экспериментов по поиску распада аксиона на два ?-кванта приведена на рис. 3. Сцинтилляционные NaI(Tl) детекторы просматривают объем, в котором распадается аксион. В эксперименте [17] использовалось два NaI(Tl) - детектора, а в эксперименте [10] - четыре. Детекторы расположены внутри пассивной защиты, состоящей из свинца и меди. Распад аксиона должен соответствовать одновременному срабатыванию двух детекторов, поэтому все детекторы включены в схему совпадения. Ожидаемая скорость счета совпадений зависит от времени жизни аксиона, величины распадного объема и эффективности регистрации ?-квантов, возникающих в результате распада. Эффективность регистрации зависит от геометрии эксперимента и собственной эффективности используемых детекторов.
В работе [10] использовался источник 65Zn. Ядро 65Zn испытывает электронный захват и превращается в ядро 65Cu, при этом в 50% случаев переход идет на возбужденное состояние, которое разряжается в М1-переходе с излучением ?-кванта с энергией 1115 кэВ. Если аксион излучается в данном переходе и затем распадается на два ?-кванта, в спектре суммарной энергии, зарегистрированной двумя детекторами, сработавшими в совпадении, должен появиться пик с энергией 1115 кэВ. Такой суммарный спектр, полученный в эксперименте [17], показан на рис. 4. Пунктирной линией показан дополнительный вклад в спектр, в случае излучения невидимого аксиона для fA = 230 ГэВ и параметра Х = 1 (согласно формуле (4) это соответствует массе аксиона mA = 150 кэВ). Можно видеть, что данный эксперимент надежно исключал модель стандартного аксиона.
Рис. 4. Результаты эксперимента по поиску излучения аксиона в М1-переходе ядра 65Cu [10]. Показан суммарный сп