Циклотронне випромінювання відкриває нові можливості для вимірювання маси нейтрино

Автор(и): Ігор Іванов

of your page -->

Перші результати експерименту Project 8 довели спроможність нової методики вимірювання енергії електронів - за частотою їхнього циклотронного випромінювання. Цей метод працює з нерелятивістськими електронами поштучно та вимірює їх енергію неруйнівним способом. На основі цього методу можна буде спробувати безпосередньо виміряти маси нейтрино, які, в силу своєї дрібниці, досі виміру не піддаються.

Прямі вимірювання маси нейтрино

Нейтрино — найлютіші серед усіх відомих елементарних частинок. З ними пов'язано відразу кілька загадок, щодо яких написано вже чимало освітніх матеріалів. Одна з них — це походження нейтринних мас, яке більшість фізиків приписує невідомій поки що Новій фізиці. Взагалі, нейтрино бувають трьох типів - електронне, мюонне та тау-нейтрино, відповідно до того, у парі з яким лептоном вони народжуються. Однак ця лептонна ідентичність у них умовно кажучи розмита. Це призводить до чудового явища нейтринних осциляцій: якщо в якомусь процесі народилося електронне нейтрино, то за кілометр від місця народження воно цілком може стати частково мюонним, а ще за кілометр — знову відновити свою електронну ідентичність.

Осциляції вказують на те, що маси нейтрино ненульові. Більше того, вони підкреслюють разючу властивість нейтрино: їхня «масова ідентичність» зовсім не відповідають ідентичності лептонної. Нейтрино з якоюсь певною масою — це не електронне, не мюонне і не тау-нейтрино, а їхня комбінація. І навпаки,нейтрино з певною лептонною ідентичністю, наприклад, електронне нейтрино, не володіє фіксованою масою, а є комбінацією з нейтрино різних мас. Це здається парадоксальним з життєвого погляду, але цілком узгоджується з квантовою механікою. Можна сміливо сказати, що нейтринні осциляції — це макроскопічна, кілометрових масштабів, ілюстрація квантових законів.

Вимірювання довжини осциляцій дозволяє визначити різницю мас нейтрино, а точніше, різницю квадратів мас. Однак ці виміри нічого не говорять про загальний масштаб мас. Вони повинні лежати десь в області міліелектронвольт (меВ), але чи це будуть одиниці, десятки або сотні меВ - невідомо (рис. 2). Дізнатися ці маси потрібно для того, щоб зрозуміти, яким серед сотень теоретичних моделей нейтринних властивостей віддавати перевагу. Це може зробити лише експеримент — але вже іншого типу, не осциляційного, а спектроскопічного, що спирається на точне вимірювання енергії електрона в радіоактивних розпадах.

Для цього розглянемо атом тритію - нестабільного ізотопу водню. Ядро тритію за рахунок бета-розпаду перетворюється на три частинки - гелій-3, електрон та антинейтрино (рис. 3). Залежно від того, як один щодо одного розлітаються ці три частинки, електрон може мати різну енергію (власне, саме через це 80 років тому і було запідозрено існування нейтрино). Найбільша ця енергія буде в тих винятково малоймовірних випадках, коли електрон і нейтрино вилітають строго в один бік. І в залежності від того, є у нейтрино маса чи ні, ця максимальна енергія електрона теж вийде трохи різною. Вимірявши енергію електронів на краю спектра, можна обчислити масу нейтрино.

Це легко сказати, але важко зробити. Погляньте на рис. 4, де показаний спектрелектронів у розпаді тритію, і зверніть увагу, наскільки незначна відмінність потрібно експериментально зареєструвати. Мало того, що на цю область — останній електронвольт спектрального розподілу — доводиться менше трильйонної частки всіх розпадів, то ще й вимірювати цю енергію треба з субелектронвольтною точністю. І ось тут криється головна проблема: незважаючи на більш ніж піввікову історію вимірювань (D. R. Hamilton et al., 1953.), така точність досі недосяжна. У двох останніх експериментах, у Троїцьку (V. N. Aseev et al., 2011. Upper limit on the electron antineutrino mass from the Troitsk experiment ) і в Майнці (C. Kraus et al., 2005). mass searching tritium β decay), були отримані схожі результати: маса нейтрино виміру не піддалася і було встановлено лише обмеження зверху близько 2 еВ (див. також популярне оповідання В. Іонова «Пошук маси нейтрино в експериментах бета-розпаду тритію»).

Це, звичайно, все ще дуже багато: адже маса нейтрино може виявитися на два-три порядки менше. Тому потрібно шукати способи зробити експеримент більш точним, і перш за все зменшити похибки вимірювання енергії електронів. Зараз готується до запуску гігантська установка KATRIN (рис. 5), яка за кілька років роботи дозволить зменшити це значення на порядок до 200 меВ. Вона вже практично готова до роботи та розпочне набір даних у 2016 році. Однак паралельно з нею розробляються й інші проекти, які роблять ставку не так на великі розміри, але в нові ідеї.

Циклотронна спектроскопія електронів

Сама ідея циклотронної спектроскопії для потенційного вимірювання маси нейтрино була оприлюднена нещодавно,у 2009 році (B. Monreal та J. A. Formaggio, 2009. Relativistic cyclotron radiation detection of tritium decay electrons як нова технологія для вимірювання neutrino mass). Сіль її ось у чому. Зазвичай, коли у нас є не надто енергетичні електрони, їхню енергію міряють, просто поглинувши цей електрон і перетворивши його енергію на іонізацію речовини та світло. Такий вимір незручний тим, що він одноразовий, він повністю усуває об'єкт, що вимірювається. Яка у цього виміру буде похибка, така вона залишиться, для кожного конкретного електрона її вже не поліпшити. На противагу цьому метод циклотронної спектроскопії вимірює енергію електронів неруйнівним способом. А значить, він дозволяє багато разів повторити вимірювання над тим самим електроном і тим самим різко поліпшити точність вимірювання.

Робиться це так. Електрон, що вилетів при розпаді, потрапляє в сильне магнітне поле і крутиться там по колу з деякою частотою (ця частота називається циклотронною). У процесі цього він випускає електромагнітне випромінювання на цій циклотронній частоті (для описуваних експериментів вона лежить в мікрохвильовому діапазоні). Для абсолютно нерелятивістського електрона частота циклотронного випромінювання ω0 визначається лише магнітним полем і залежить від енергії електрона. Якщо ж швидкість електрона починає наближатися до швидкості світла — а швидкість тритієвого електрона вже досягає чверті швидкості світла, циклотронна частота вже дорівнює ω(E) = ω0/γ, де γ — звичайний релятивістський множник, лоренц-фактор. В результаті частота вже залежить від енергії: чим більша енергія, тим менша частота. Щоправда, залежність ця досить повільна, оскільки лоренц-фактор лише трохи відрізняється від одиниці. Проте вона є. Тому досить точне вимір частоти випромінювання ввідомому магнітному полі покаже, яку енергію має електрон.

Відступ для тих, хто вже зустрічався раніше із синхротронним випромінюванням, а тепер уперше бачить циклотронне. І те, й інше – випромінювання електронів, що рухаються в магнітному полі. Різниця в тому, що синхротронне випромінювання випускається електроном великої енергії на короткій ділянці траєкторії, а циклотронне випромінювання випускається нерелятивістським електроном відразу з усієї своєї орбіти-кола. Синхротронне випромінювання — це локальний відгук електрона у відповідь те, що його траєкторія повернулася; це випромінювання зривається саме тут і зараз, а куди далі полетить електрон і чи його траєкторія замкнеться — неважливо. Циклотронне випромінювання - це когерентний ефект від усієї траєкторії, це результат періодичного руху електрона. Це фактично випромінювання фотона при переході електрона з рівня на рівень, але не в атомі, а в зовнішньому магнітному полі. Випромінюється воно відразу на всі боки, так що його зручно збирати і виводити хвилеводом.

Якщо сама ідея виміру енергії електрона з циклотронного випромінювання здається простою, то її експериментальна реалізація — справа дуже трудомістка. З одного боку, інтенсивність випромінювання від одного-єдиного електрона дуже мала: в сильному магнітному полі 1 Тесла один електрон видає потужність порядку фемтоватта. З іншого боку, енергія електрона теж мала і за частку секунди вона витрачається на випромінювання. Ці дві умови пред'являють серйозні вимоги до датчика мікрохвильових фотонів: він має бути чутливим і досить швидким. Якщо накопичувати сигнал занадто довго, електрон втратить помітну частину енергії, частота випромінювання «спливе» і картина змажеться.

Демонстрація технології в експерименті Project 8

УЕксперимент Project 8 маленький осередок (рис. 5, праворуч) заповнювався парами радіоактивного криптону, який виходив в результаті розпаду рубідія-83. Комірка була поміщена в однорідне магнітне поле індукції 1 Тесла, а в її центрі була додатково створена магнітна пастка для утримання електронів протягом як мінімум кількох мілісекунд. «Нарізуючи кола» в магнітному полі, електрони випромінювали мікрохвильове випромінювання на частоті близько 25 ГГц, яке відводилося хвилеводом, проходило через радіопідсилювач, що мало шумить, і реєструвалося чутливим датчиком. Уся установка, природно, була охолоджена до низьких температур — це потрібно і надпровідного магніту, і для придушення теплових шумів в датчику випромінювання.

На рис. 6 показаний результат вимірювання частоти випромінювання від одного єдиного електрона з енергією близько 30 кеВ протягом перших мілісекунд після його вильоту з атома (цей момент відповідає початку першої смужки). Відповідно до очікувань, частота випромінювання фотонів поступово зростала в міру того, як електрон втрачав енергію. Чутливий датчик накопичував сигнал від випромінювання досить швидко, тому «дрейф» частоти вдалося відстежити із субмілісекундною точністю. Іноді електрон, щоправда, стикався з атомами газу та втрачав невелику частку своєї енергії; цим подіям відповідають різкі стрибки на рис. 6. Але це побічний ефект. Головне ж, що самі смужки вийшли тонкі та контрастні, що дозволяє визначити початкову енергію електрона з гарною точністю.

Як видно з малюнка, поки невизначеність вимірювання частоти становить десяті частки мегагерца. У перерахунку енергію електрона це відповідає похибки в десятки эВ. Так, це все ще забагато для того, щоб покращувати нинішнє обмеження маси нейтрино. Алеце тільки перша демонстрація методу, виконана в зовсім крихітному робочому обсязі. Оскільки технологія не вимагає гігантських установок і великих витрат, а спирається виключно на чутливість датчика та чистоту експерименту, очікується, що точність вимірювань у майбутньому істотно зросте. Ось тоді в установку можна буде запускати вже тритій і намагатися намацати масу нейтрино. Звичайно, KATRIN вступить в дію і отримає свої результати до того, як Project 8 обжене її за чутливістю. Однак у довгостроковій перспективі саме Project 8, завдяки своєму технічному потенціалу, має шанси просунутися ще далі, вглиб міліелектронвольтного діапазону.

Насамкінець цікаво відзначити ще ось який момент. Не варто думати, що це перший приклад реєстрації хоч якогось випромінювання від електрона. Електрони великих енергій у магнітному полі світяться добре і охоче – але це синхротронне випромінювання. Тут є така симпатична історична замальовка. Коли в 1960-ті роки в Італії будувався коллайдер AdA — один із найперших колайдерів взагалі, — перед фізиками стояло завдання відстежувати в реальному часі інтенсивність пучка, що циркулює. Це вирішили робити з їхнього синхротронного випромінювання. Датчик поставили, але його треба було калібрувати — тобто виміряти світловий сигнал від пучка відомої інтенсивності. Так от, цю інтенсивність знизили настільки, що в пучку залишалося лише кілька електронів, і вони з часом один за одним вибували або, навпаки, інжектувалися в пучок. Фотодатчик, переведений у режим високої чутливості, добре реєстрував ступінчастий профіль яскравості випромінювання (рис. 7). Зокрема, нижня сходинка якраз і відповідала синхротронному світінню від одного-єдиного електрона,крутився в накопичувальному кільці.

Тож, повторимо знову, в експерименті Project 8 було вперше зареєстровано не просто випромінювання, а саме циклотронне випромінювання від одного-єдиного нерелятивістського електрона. І треба віддати належне експериментаторам — це ефект значно слабкіший, ніж синхротронне випромінювання.