Поиск резонансного поглощения аксионов, излучаемых при М1-переходе 57Fe на Солнце
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?авшего g-кванта в ядерных магнитных переходах. В работе [36] изучался К-захват ядра 139Се на возбужденный уровень ядра 139La, который разряжается g-квантом, возникающем в М1 - переходе (рис. 9). Источник 139Се был окружен сборкой из 11 CsI детекторов. Если вместо фотона в М1-переходе испускается аксион, то должно регистрироваться только рентгеновское излучение ядра 139La. В энергетическом спектре должен появиться пик с энергией равной энергии связи электрона на К-оболочке.
Рис. 9. Схема эксперимента из работы [] и схема распада ядра 139Се
Недостаток методики заключается в том что, во-первых, существует вероятность К-захвата на основное состояние 139La. В этом случае полностью имитируется излучение аксиона. Во-вторых, нет критерия, по которому можно различить случай излучения аксиона от случая поглощения фотона в нечувствительном объеме детектора.
Предпочтительнее проводить поиск аксиона, исследуя М-переходы в изомерных ядрах, в первую очередь, из-за отсутствия неопределенности, связанной с испусканием нейтрино, характерной для ядер, испытывающих b- и ЕС-распады. В работах [,,,] для обнаружения аксиона анализировался энергетический спектр фотонов и электронов, возникающих при распаде ядра 125mTe (T1/2 = 57 дней). Это изомерное ядро испытывает два последовательных g-перехода с энергиями Е1= 109.3 кэВ (М4-переход) и Е2 =35.5 кэВ (М1-переход). М1-переход является практически чистым переходом магнитного типа, примесь перехода электрического типа E2 составляет E2/М1=0.029 []. Из-за взаимодействия возбужденного ядра теллура с атомной оболочкой каждый распад ядра сопровождается каскадом g-квантов, конверсионных электронов, рентгеновских квантов и Оже-электронов.
Рис. 10. Схема опыта по поиску аксиона в переходах магнитного типа в изомерных ядрах. Е1, Е2 - энергии перехода
Схема опыта представлена на рис. 10. Изомерное ядро распадается на основное состояние, излучая при этом два ?-кванта с энергиями Е1 и Е2. Представим, что источник радиоактивных ядер помещен в центр идеального детектора, обладающего 4?-геометрией, не имеющего нечувствительного объема и который имеет размеры, достаточные для полной регистрации излученных ?-квантов, а также конверсионных электронов, рентгеновского излучения и Оже-электронов, которые сопровождают данный распад. В этом случае, в измеренном энергетическом спектре будет присутствовать только один монохроматический пик, с шириной определяемой разрешением используемых детекторов. Излучение невидимого аксиона в М-переходе с энергией Е2, покидающего детектор без взаимодействия, приведет к появлению пика с энергией Е1.
Для измерения энергетического спектра 125mТе использовались два цилиндрических планарных HPGe-детектора, плотно прилегавших друг к другу торцевыми плоскостями. В центре торца одного из детекторов была вышлифована маленькая лунка, глубиной 0.5 мм и диаметром 3 мм, в которой находился источник 125mTe.
Полученное значение для отношения интенсивности излучения аксиона к полной интенсивности составило IA/Ig= (4.5 2.5) 10-6, что соответствует ограничению IA/Ig 8.5 10-6 для 90% уровня достоверности. Чувствительность к излучению аксиона в магнитном переходе составляет 2.5.10-6, что превышает уровень, достигнутый во многих экспериментах по поиску аксиона, излучаемого в ядерных переходах.
3.6 Астрофизические ограничения
Астрофизические ограничения на массу аксиона основаны на появлении дополнительного механизма потери энергии звездами и практически исключают аксион с массой более нескольких эВ [,]. Космологические и астрофизические аргументы устанавливают и нижний порог для массы аксиона на уровне 10-5 эВ, поскольку, в противном случае, слишком много вещества существовало бы в виде аксионов [].
Данные по вспышке сверхновой SN1987A позволили ввести запрет на массу аксиона превышающую 10-3 эВ. Этот предел на массу аксиона получен из ограничений на константу взаимодействия аксиона с фотонами gA? и справедлив только для DFSZ аксиона, поскольку, как отмечалось выше, в отличие от DFSZ-аксиона адронный аксион не имеет прямого взаимодействия с лептонами, поэтому ограничения на его массу слабее. Данные по сверхновой SN1987A, в моделях адронного аксиона в которых взаимодействие аксионов с фотонами сильно подавлено [], не исключают возможности существования адронного аксиона с массой в несколько эВ []. Таким образом, из астрофизических данных, аксион, решая проблему СР-несохранения и оставаясь кандидатом на скрытую массу, должен иметь массу в диапазоне 10-5-10-3 эВ. Для адронного аксиона существует дополнительное окно диапазоне (0.1-10) эВ. Ограничения на массу аксиона (и на значение энергии fA при которой происходит нарушения PQ-симметрии), полученные в прямых лабораторных экспериментах совместно с астрофизическими ограничениями показаны на рис. 11.
Следует отметить, что данные ограничения получены в моделях предполагающих строгую связь массы аксиона и шкалы нарушения PQ-симметрии (fAmA ? f?m?). Однако в моделях, которые включают взаимодействие нашего мира с зеркальным, это соотношение не выполняется, и для аксиона было найдено новое окно (~ 1 МэВ), которое не исключено никакими имеющимися наблюдательными данными [].
Рис. 11. Ограничения на массу аксиона полученные в прямых лабораторных экспериментах совместно с астрофизическими ограничениями. Рисунок из обзора Г. Раффелта [].
4. Поток и энергетический спектр солнечных аксионов, излучаемых в М1-переходе 57Fe
Если аксион суще?/p>