Поиск резонансного поглощения аксионов, излучаемых при М1-переходе 57Fe на Солнце
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?твует, Солнце является мощным источником данных частиц. Аксион может эффективно рождаться на Солнце за счет эффекта Примакова, приводящего к преобразованию фотонов в аксионы в электромагнитном поле плазмы звезды []. Аксионы имеют среднюю энергию ? 4 кэВ и могут быть обнаружены в обратной реакции - конверсии аксиона в фотон в лабораторных магнитных полях [23,24,27] или в поле кристалла [28,31,33,34]. Полученные верхние пределы на константу связи аксиона с фотоном составляют gA? ? 10-10-10-8 ГэВ-1, что соответствует все еще огромному ожидаемому потоку аксионов на уровне 10111013 см-2с-1кэВ-1.
Реакции основного солнечного цикла также являются возможными источниками аксионов. Например, реакция электронного захвата 7Be + e 7Li (7Li*) + ?e с вероятностью ? 0.1 идет на возбужденное состояние 1/2 - ядра 7Li, которое разряжается гамма-квантом в переходе типа М1. Ожидаемый поток аксионов, испускаемых в этом переходе, прямо связан с потоком 7Ве-нейтрино и сопоставим с потоками аксионов от ядерного реактора или искусственных радиоактивных источников. Попытка обнаружить данные аксионы была сделана в работах [23,].
Рис. 12. Схема уровней ядра 57Fe и вероятности переходов на возбужденные уровни при электронном захвате 57Co57Fe [24]
Другой источник солнечных аксионов - переходы магнитного типа в ядрах, низколежащие уровни которых возбуждаются за счет высокой температуры. Температура в центре Солнца составляет 1.5.107 К, что приводит к возбуждению ядерных уровней некоторых ядер - 57Fe, 55Mn, 23Na и др. [27]. Полный поток, излучаемых Солнцем аксионов ФА, зависит от энергии уровня (Е?), температуры (Т), времени жизни ядерного уровня(??), распространенности изотопа на Солнце (N) и вероятности излучения аксиона в данном ядерном переходе (?А/??) [27]:
(22)
Эти аксионы могут быть обнаружены в обратной реакции резонансного поглощения ядрами А+(Z, N) (Z, N)* (Z, N) + ?, путем регистрации гамма-квантов, возникающих при разрядке возбужденного ядерного уровня [50, ,].
Наиболее интенсивный поток аксионов от Солнца связан с М1-переходом в ядре 57Fe, схема уровней которого показана на рис. 12. Энергия первого ядерного уровня (3/2-) равняется 14.413 кэВ, примесь перехода Е2-типа ? = 0.0022. Коэффициент электронной конверсии составляет е/? = 8.5 [], следовательно, вероятность излучения гамма-кванта ? = 1/(1+e/?) = 0.105.
Вследствие доплеровского уширения спектр аксионов будет представлять гауссову кривую ФА(ЕА) с дисперсией ?S(Т) = Е?(кТ/M57Fe)1/2, где Т ? температура в месте рождения аксиона и М57Fe - масса ядра 57Fe. Для температуры в центре Солнца ширина линии составляет ?S(Т) = 2.2 эВ. Сдвиг энергии аксиона за счет энергии ядра отдачи 57Fe составляет Er = 0.0018 эВ. Время жизни первого возбужденного уровня 57Fe равняется
? = Т1/2 / ln2 = 142 нс, соответственно собственная ширина уровня
? = 4.7.10-9 эВ. Доплеровское уширение линии для температуры Т = 300 К, при которой находятся ядра мишени, составляет ?300K = 0.01 эВ. Значения Er, ? и ?300K существенно меньше ширины спектра аксионов. Таким образом, доля аксионов, которые могут испытать резонансное поглощение, ~ ?/?S. Вычисления, учитывающие зависимость плотности и температуры Солнца от радиуса Солнца, выполнены в работе [].
В результате дифференциальный поток аксионов, соответствующий максимуму гауссовского распределения, может быть представлен в виде:
см-2с-1кэВ-1 (23)
Для М1-перехода в ядре 57Fe значения ? и ?, вычисленные в работе [], равны ? = -1.19 и ? = 0.8. Тогда отношение ?А/??, как функция массы аксиона выглядит следующим образом (рис. 13):
(24)
Рис. 13. Отношение вероятностей аксионного и магнитного переходов для первого возбужденного уровня ядра 57Fe в зависимости от массы аксиона mA
Сечение резонансного поглощения аксионов с энергией ЕА дается выражением, аналогичным резонансному поглощению гамма-квантов, поправленному на отношение ?А/??:
, (25)
где ?0? ? максимальное сечение резонансного поглощения гамма-квантов:
, (26)
где I0 и I1 - спины основного и возбужденного состояний ядра 57Fe,
? = hc/E - приведенная длина гамма-излучения и ? = 8.5 - коэффициент электронной конверсии для данного перехода. Для аксионов значение ?0 увеличивается вдвое, вследствие различия спинов аксиона и фотона: ?0А = 2?0?. Экспериментально определенное значение ?0? = 2.56.10-18 см2 [].
Для получения полного сечения выражение (25) нужно проинтегрировать по спектру аксионов:
(27)
Интегрирование узкого гауссовского распределения (25) по широкому спектру аксионов дает значение, близкое к величине ?A(ЕМ1). Скорость поглощения солнечных аксионов ядром 57Fe в единицу времени составит:
(28)
Используя зависимость ?A от (?A/??) и (?A/??) от mA, можно представить в численном виде ожидаемое число событий резонансного поглощения аксионов в мишени, содержащей N57Fe ядер 57Fe, за время измерения T:
(29)
Количество зарегистрированных гамма-квантов, следующих за поглощением аксиона, определяется эффективностью детектора, а вероятность наблюдения пика с энергией 14.4 кэВ - уровнем фона экспериментальной установки.
5. Экспериментальная установка
5.1 Характеристики планарного Si(Li) детектора
Для поиска гамма-квантов с энергией 14.4 кэВ использовался планарный Si(Li) - детектор с диаметром чувствительной области 6 мм и толщиной 5 мм. Детектор находился в вакуумном криостате на расстоянии ? 8 мм от входного бериллиевого окна толщиной 12 мкм. Между детектором и бериллиевым