Поиск солнечных аксионов, излучаемых в M1-переходе ядер 57Fe

• Автор: Семенов, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Глава 1. Теоретические модели аксиона (обзор)
1.1 Нарушение СР-симметрии в КХД
1.1.1 Лагранжиан квантовой хромодинамики
1.1.2 Проблема 11( 1)А и её решение
1.1.3 Варианты решения СР-проблемы
1.1.4 и(1)р<э - симметрия и аксионы
1.2 Первоначальная модель аксиона Печеи-Квинн
1.3 Модели невидимого аксиона
1.3.1 КБУХ-аксион
1.3.2 БГБХ-аксион
1.4 Свойства аксиона и константы взаимодействия
1.4.1 Взаимодействие аксиона с фундаментальными частицами
1.4.2 Взаимодействие с бозонами
1.4.3 Взаимодействие аксиона с фермионами
Глава 2. Методы регистрации аксионов
2.1 Эксперименты по поиску «стандартного» аксиона
2.2 Эксперименты по поиску «невидимого» аксиона
2.2.1 Конверсия аксиона в фотон в лабораторном магнитном поле
2.2.2 Конверсия солнечных аксионов в фотоны в поле кристалла
2.2.3 Другие методы регистрации аксионов
2.3 Астрофизические ограничения на свойства аксиона
2.3.1 Аксионы - кандидаты на темную материю
2.3.2 Звездная эволюция малоинерционных звезд
2.3.3 Шаровые звездные скопления
2.3.4 Ограничения на §Ае из шаровых звездных скоплений
2.3.5 Сверхновая 1987А
2.3.6 Ограничения из космологии
2.4 Солнечные аксионы
2.4.1 Стандартная солнечная модель
2.4.2 Образование аксионов на Солнце
2.4.3 Поток и энергетический спектр солнечных аксионов, излучаемых в Ml-переходе 57Fe

2.4.4 Резонансное поглощение аксионов ядром Fe и скорость счета солнечных аксионов
Глава 3. Экспериментальные установки для поиска резонансного поглощения аксионов с энергией 14.4 кэВ
3.1 Установка с Si(Li) детектором площадью 0.3 см
3.2 Установка с Si(Li) детектором площадью 2 см2
3.3 Установка с секционированным Si(Li) детектором площадью 34 см
3.4 Сравнительные характеристики трех экспериментальных установок
3.5 Программы накопления данных on-line
Глава 4. Результаты измерений и их анализ
4.1 Результаты, полученные с 0.3 см2 Si(Li) детектором
4.2 Результаты, полученные с 2 см2 Si(Li) детектором
4.3 Результаты, полученные с секционированным Si(Li) детектором
Заключение
Список литературы
Стандартная модель элементарных частиц и их взаимодействий, основанная на группах симметрии SU(3) X SU(2) X U( 1), хорошо описывает большинство экспериментальных результатов. Однако, в квантовой хромодинамике (КХД), которая является теорией сильных взаимодействий, имеется одна очень серьезная проблема, связанная с нарушением СР-симметрии. Дело в том, что лагранжиан КХД должен быть дополнен естественным членом, представляющем взаимодействие глюонных полей. Этот член называется, в соответствии с коэффициентом, в — членом и является CP-нечетным. Однако, экспериментально CP-нарушение в сильных взаимодействиях до сих пор не обнаружено. В частности, верхний предел на электрический дипольный момент нейтрона приводит к ограничению в < 10“9, что является крайне малой величиной по сравнению с другими коэффициентами в лагранжиане КХД.
Наиболее естественное решение CP-проблемы 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 fА должно приводить к возникновению новой нейтральной псевдоскалярной частицы - аксиона. Существование “стандартного” аксиона, было надежно закрыто целой серией экспериментов, выполненных с искусственными радиоактивными источниками, на реакторах и ускорителях. После этого были предложены новые теоретические модели “невидимого” аксиона, в которых аксион имеет очень маленькую массу, слабые константы связи с веществом и большое время жизни. Данные теоретические модели аксиона служат основанием для продолжения экспериментального поиска псевдоскалярной частицы, слабо взаимодействующей с веществом.

Недостаток методики заключается в том что, во-первых, существует
1 •5П
вероятность К-захвата на основное состояние Ьа. 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 /3-и ЕС-распады. В работах [69,70,71] для обнаружения аксиона анализировался энергетический спектр фотонов и электронов, возникающих при распаде ядра ШшТе ( Тг/2 = 57 дней). Это изомерное ядро испытывает два последовательных у-перехода с энергиями Ег — 109.3 кэВ (М4-переход) и Е2 =35.5 кэВ (М1 -переход). М1-переход является практически чистым переходом магнитного типа, примесь перехода электрического типа Е2 составляет Е2/М1 = 0.029 [72]. Из-за взаимодействия возбужденного ядра теллура с атомной оболочкой каждый распад ядра сопровождается каскадом у-квантов, конверсионных электронов, рентгеновских квантов и Оже-электронов.
Схема опыта представлена на рис. 15. Изомерное ядро распадается на основное состояние, излучая при этом два у-кванта с энергиями Е1 и Е2. Представим, что источник радиоактивных ядер помещен в центр «идеального» детектора, обладающего 4я-геометрией, не имеющего нечувствительного объема и который имеет размеры, достаточные для полной регистрации излученных у-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