Поиск резонансного поглощения аксионов, излучаемых при М1-переходе 57Fe на Солнце
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
Поиск резонансного поглощения аксионов, излучаемых при М1-переходе 57Fe на Солнце
Введение
Современная теория элементарных частиц и их взаимодействий хорошо описывает подавляющее большинство экспериментальных результатов. К нерешенным проблемам, таким как вопрос о природе холодной темной материи, ненаблюдаемые до сих пор частицы Хиггса и др., следует отнести и проблему отсутствия СР-несохранения в сильных взаимодействиях. Экспериментальный верхний предел для СР-несохраняющего параметра составляет ? ? 10-9. Малое значение данной величины по сравнению с другими параметрами, входящими в лагранжиан квантовой хромодинамики (КХД), продолжает оставаться загадкой на протяжении нескольких десятилетий.
Наиболее естественное решение было предложено Печчеи (Peccei) и Квинн (Quinn) путем введения новой глобальной киральной симметрии, спонтанное нарушение которой при энергии fA позволяет точно скомпенсировать СР-несохраняющий член в лагранжиане КХД []. Вайнберг [] и Вилчек [] показали, что спонтанное нарушение PQ-симметрии при энергии fA должно приводить к возникновению новой нейтральной псевдоскалярной частицы - аксиона.
В первоначальной модели стандартного или PQWW-аксиона предполагалось, что нарушение симметрии происходит на масштабе электрослабой шкалы fA ~ (GF)-1/2 ? 250 ГэВ, при этом масса аксиона оказывалась порядка (0.1 - 1.0) МэВ. Существование стандартного аксиона, было надежно закрыто целой серией экспериментов, выполненных с искусственными радиоактивными источниками, на реакторах и ускорителях. В реакторных экспериментах и в экспериментах с искусственными радиоактивными источниками проводился поиск распада аксиона на два g-кванта, в ускорительных экспериментах пытались обнаружить распады К - мезонов (K+p++А) и тяжелых кваркониев с излучением аксиона (Y/JА+g и А+g), а также распады самого аксиона на электрон-позитронную пару (Ае++е-).
Два класса новых теоретических моделей невидимого аксиона сохранили аксион в том виде, в каком он нужен для решения проблемы СР-сохранения в сильных взаимодействиях, и в тоже время подавили его взаимодействие с фотонами (gA?), лептонами (gAee) и адронами (gAN). Это модели адронного или KSVZ-аксиона [,], в которых требуется существование более тяжелого кварка и GUT или DFSZ-аксиона [,], в которых введены добавочные хиггсовские поля. Масштаб нарушения симметрии fA в обеих моделях оказывается произвольным и может быть продлен вплоть до планковской массы mP ? 1019 ГэВ. Поскольку амплитуда взаимодействия аксиона с адронами и лептонами пропорциональна массе аксиона, соответственно будет подавлено взаимодействие аксиона с веществом.
Масса аксиона, равно как и эффективные константы связи gA?, gAee и gAN, оказывается обратно пропорциональна шкале нарушения симметрии, масса аксиона (в эВ) выражается через fA следующим образом:
(1)
аксион магнитный конверсия спектр
где z и w - отношения масс легких кварков (z = mu/md 0.59, w = mu/ms 0.029), m? и f? - масса и распадная константа ?-мезона.
В результате, новые теоретические модели невидимого аксиона служат основанием для продолжения экспериментального поиска псевдоскалярной частицы, слабо взаимодействующей с веществом, с массой от 10-12 эВ до десятков кэВ.
Другая причина интенсивных поисков аксиона обусловлена тем, что аксионы, вместе с классом слабовзаимодействующих массивных частиц, так называемых WIMPs (weakly interacting massive particles), являются наиболее популярными кандидатами на роль частиц, из которых состоит темная материя во Вселенной.
Таким образом, проблема экспериментального обнаружения аксиона является крайне актуальной задачей.
Если аксион существует, Солнце является мощным источником данных частиц. Одним из возможных источников солнечных аксионов являются переходы магнитного типа в ядрах, низколежащие уровни которых возбуждаются за счет высокой температуры. Наиболее интенсивный поток монохроматических аксионов от Солнца связан с М1-переходом в 57Fe, между основным и первым ядерным уровнем.
Целью работы являлось проведение эксперимента по поиску резонансного поглощения солнечных аксионов, излучаемых при 14.4 кэВ переходе магнитного типа в ядре 57Fe на Солнце. Основные задачи работы состояли в следующем:
. Создание низкофоновой экспериментальной установки с Si(Li) - детекторами, включающей в себя пассивную и активную защиту и регистрирующую аппаратуру.
. Создание программы накопления данных для низкофоновой установки, позволяющей проводить длительные измерения и контролирующей работу Si(Li) - детекторов и активной защиты.
. Проведение измерений, математическая обработка измеренных спектров, заключающаяся в поиске пика с энергией 14.4 кэВ.
Работа была выполнена в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова Российской Академии Наук.
2. Взаимодействие аксионов с веществом
.1 Излучение и поглощение аксионов в ядерных переходах магнитного типа
Аксион как псевдоскалярная частица может испускаться и поглощаться в ядерных магнитных переходах. Взаимодействие аксиона с нуклонами определятся константой связи gAN, которая состоит из изоскалярной, gAN0, и изовекторный, gAN3, частей [8.9]:
(2)
В моделях адронного аксиона константы gAN0 и gAN3 могут быть представлены в виде
(3)
(4)
где mN = 939 МэВ - м?/p>