Способ определения массы нейтрино Советский патент 1988 года по МПК G01T1/38 

00

со о:

Изобретение относится к измерению распада радиоактивных веществ.

Целью изобретения является повышение чувствительности.

Для осуществления предложенного способа определения массы нейрипо в качестве наиболее интенсивного источника медленных нейтронов используется атомный реактор, для осуществления монохроматизации нейтронов используются синхронно вращающиеся щелевые роторы, подвещенные в магнитном поле, для осуществления однородного магнитного поля используется соленоид, для измерения проекций энергий протонов на направление однородного магнитного поля на концах соленоида используются проволочные сетки, которые расположены перед детектором протонов и на которые подаются электростатические потенциалы разной величины.

Для того, чтобы отделить протоны, возникающие при распаде нейтронов, от нейтронов поток последних направляется под углом к оси соленоида, т.е. под углом к направлению его однородного магнитного поля.

Теоретическим обоснованием предлагаемого способа является утверждение в теории вероятности о том, что у вектора направление которого в пространстве случайно, и величина также случайна и не зависит от направления, вероятностные свойства величины такого вектора полностью определяются распределением величины его проекций на выделенное направление (например, на ось х). Аналитическая связь плотности распределения f(v) величины вектора с распределением fx(v) величины его проекций на выделенное направление (ось х) определяется выражением

VnaKCr

/

fx(v) I IMdv,

где у„а.кс-максимальная величина вектора V в распределении f(v). Если под V понимать величину вектора скорости, то в переменных кинетической энергии Т написанное распределение примет вид

Wx(T). (1)

Скорость протона, вылетевщего при распаде неполяризованного свободного нейтрона, полностью удовлетворяет указанным требованиям. Если распад нейтрона с малой (нулевой) скоростью происходит в однородном магнитном поле соленоида, ось которого совпадает с осью х, то на выходе из торцов соленоида имеет место распределение проекций скоростей протонов или их кинетических энергий на ось х.

Распределение протонов w(T) при распаде свободных нейтронов теоретически рассчитано и дано в работе

W(T)dT const (5

()(l-a)}dt,

15

где а 1 - -д Т; Д шн-ШР; 2 Шн+гпр;

К

Is.. „ те+Шу. -г (me+mJ „ А - 2тн

т„, Шр, Шр mv - соответственно массы нейтронов, протона электрона, нейтрино. Распределение проекций WxCT) на направление однородного магнитного поля (на ось х) вычисляется по формуле (1).

На фиг. 1 прдставлена экспериментальная установка по определению массы нейтрино предлагаемым способом, на фиг. 2 - спектр протонов; на фиг. 3 - зависимость спектра протонов от массы нейтрино.

0

5

Светосильный нейтронный монохроматор имеет десять синхронно вращающихся роторов 1 и выделяет из ротора нужный поток медленных нейтронов с заданной энергией. Нейтроны направляются в соленоид 2, ось которого составляет угол ал;4° с нейтронным пучком. На концах соленоида 2 имеются сетки 3 и 4, на которые попеременно подаются электростатические потенциалы по величине от нуля до ;800 В (максимальная энергия протона при распаде нейтрона 751 эВ), а также имеются элек троды 5 и 6 с ускоряющими и фокусирующими потенциалами. Нейтронный детектор 7 служит в качестве мониторного в контрольных измерениях Счет Ngxc протонных детекторов 8 представляется в нормированс ном виде по формуле

N5Kc(T)l-|,

(T)dT-полное число протонов, вылетающих из одного конца соленоида;число протонов, проТмате

0 где W

,(T)dT) - ш

сачивающихся через сетку с потенциалом (энергией) Т из объ- объема соленоида;

макс- максимальная кинетическая энергия протона при распаде нейтрона, зависящая от массы нейтрино, ее- ли последняя не равна нулю.

В процессе измерений переключение всех режимов (изменение потенциалов на сетках, последовательность их подачи) осуществляется автоматически с высокой часто- той, информация накапливается в памяти и непрерывно обрабатывается микроЭВМ, которая включается в линию с экспериментом. Для уменьщения асимметрии измерения выполняются циклами с перестановкой детек- торов и переворотом соленоида на 180°. При изложенной процедуре измерений исключается влияние дрейфа потока реактора, измерительной аппаратуры и внещних условий. Каждый протонный детектор, когда на ближайщий к нему максимальный потен- циал, измеряет фон. Таким образом, фон постоянно измеряется на обоих концах соленоида и учитывается во всех расчетах.

В изложенном эксперименте измеренный спектр протонов выглядит так, как он пока- зан на фиг. 2 (спектр вычислен на ЭВМ по приведенным формулам).

На фиг. 3 показано, что будет, если измеренный по предлагаемому способу спектр протонов зависит от массы нейтрино, и его сравнивать с теоретическим, в котором мае- са нейтрино равнялась нулю. Приведены разности «экспериментального спектра, рЪль которых играл вычисленный для массы нейтрино 100 эВ, с теоретическими, которые нормировались при вычислении на одну из точек «экспериментального спект- ра. Видно, что теоретические спектры пересекают «эспериментальный, причем точкой пересечения служит та, которая была принята как нормировочная. Наибольщая чувствительность (кривые I, II, III) получается при нормировке к точке, находящий- ся в конце «экспериментального спектра. В этом случае разность «экспериментального спектра с теоретическим почти на уровне и это значит, что можно почувствовать массу нейтрино на уровне нескольких электроновольт, если экспериментальный спектр измерить с точностью . Такая точность в определении массы нейтрино превышает существующую почти на порядок.

В измерениях вместо трития используются свободные нейтроны, которые являют- ся идеальным объектом для исследования р-распада и соответственно для обнаруже- жения массы нейтрино.

В измерениях вместо спектра электронов исследуется спектр протонов, которые из-за больщой массы менее чувствительны к различным фоновым эффектам, мещаю- щим в измерениях. В измерениях используется спектр проекций протонов на выделенное направление и это си. п.ио уношчи- вает их чувствительность к обнаружению массы нейтрино, так как эти измерении еу- щественно зависят от Тмахс. которое оолер- жит массу нейтрино, если она от.шчпа от нуля. Влияние массы нейтрино на спектр проекций протонов выделено тем. что только оно дает пересечение теоретического спектра с экспериментальным и эта выделен- ность весьма важна для обнаружения массы нейтрино. Измерения осуществляют с помощью соленоида в условиях 4л.-геомет- рии и это сильно увеличивает интенсивность исследуемого излучения.

Поиск массы нейтрино осуществляют на всем спектре р-распада с полным использованием его интенсивности.

Для определения точности предлагаемого способа используются контрольные эксперименты, основанные, в частности, на том, что при измерении спектра протонов должен выполняться ряд точных равенств, которые являются следствием изотропности разлета протонов при распаде свободных нейтронов (скоростью распадающихся медленных нейтронов пренебрегают).

При нулевом потенциале на сетках соленоида из его концов должно вылетать точно одинаковое число протонов, при наличии потенциалов на сетках увеличение числа протонов, вылетающих из одного конца соленоида, должно точно равняться уменьщению числа протонов, вылетающих из противоположного конца; при максимальном потенциале на одной из сеток соленоида через другой его конец должно вылетать полное число протонов и это число должно быть точно в два раза больше числа, которое реализуется в пункте 1.

Суммы чисел протонов, зарегистрированных из обоих концов соленоида, должны быть при любых потенциалах на сетках точно равны дл я одинаковых показаний нейтронного монитора. Поскольку интенсивность нейтронов огромна, то его показания статистически обеспечиваются до очень высокой точности.

Перечисленные равенства должны выполняться с той точностью, с какой экспериментальные результаты выдаются. В противном случае данные измерений рассматриваются как недостоверные.

Контрольные эксперименты, связанные с определением искажений, вносимых сетками с электростатическим потенциалом на измеряемый спектр, основаны на том, что направленная скорость распадающихся нейтронов по своему влиянию на измеряемый спектр протонов эквивалентна потенциалу Т на сетке и эту эквивалентность можно представить равенством

Т - F р

где с„ - известная, заданная энергия медленных нейтронов; гпн, fTip- массы нейтрона и протона.

Искомое искажение исследуется nyiCM сравнения спектров протонов при разных значениях Т со снектрами нротонов, измеренных при соответствующих им энергиях.

Влияние неоднородности магнитного поля соленоида можно исследовать путем измерения спектра протонов при разных размерах объема соленоида, из которого извлекаются для измерений протоны. Для этого просто изменяется размер входных окон у протонных детекторов.

Контрольные эксперименты, связанные с влиянием угловой расходимости нейтронного пучка (для этого немного изменяется длина нейтронного кол.лиматора), с углом наклона соленоида относительно нейтронного пучка, контрольные эксперименты с проионной пушкой, с моделированием распадов на ЭВМ при известном распределении магнитного поля в соленоиде, измерены с необходимой точностью.

В предложенном способе для каждой воз- можной ошибки при измерении протонного спектра можно найти соответствуюший контрольный эксперимент для ее исследования и внесения необходимых поправок или полного ее устранения.

0

0

5

Формула изобретения Способ определения массы нейтрино, включаюш.ий измерение продуктов распада радиоактивных ядер, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности способа, измеряют продукты распада свободного нейтрона, для чего формируют с заданной энергией поток медленных монохроматических нейтронов, направляют его в однородное магнитное поле, линии напряженности которого составляют угол с направлением потока нейтронов, на входе 1 выходе однородного магнитного поля помещают для регистрации протонов от распада нейтронов детекторы, каждый из которых имеет на входе электростатическое поле с изменяющейся величиной, измеряют проекции энергий протонов на направление однородного магнитного поля, по измеренным значениям находят спектр проекций в зависимости от их энергий, сравнивают этот спектр с теоретическими, вычисленными для разных предполагаемых масс у нейтрино, на основании результатов сравнения делают в пределах точности выполненных измерений заключение о наличии, о величине или об отсутствии массы у нейтрино.

Изобретение относится к области распознавания элементарных частиц, более конкретно к определению массы нейтрино. Целью изобретения является повышение чувствительности способа. Измеряют продукты распада радиоактивных ядер, для чего измеряют продукты распада свободного нейтрона, прошедшего через однородное магнитное поле, линии напряженности которого составляют угол с направлением потока нейтрона. Чувствительность способа к обнаружению массы нейтрино весьма велика и определяется ее наличием в максимальной граничной энергии распада, которая существенно влияет на спектр при измерениях. В способе используется большое число контрольных измерений, которые обеспечивают надежность получаемых результатов. 3 ил.

3 2

(риеЛ

5ff 7OO 75O гоо ZSa ЗОО 350 WO SO 5OO 55O 600 65О 7UO 75O

Фаг.г