1 Бета-распад нейтрона и Стандартная Модель (измерение времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов) 12 мая 2005 года, Москва Марковские чтения А.П. Серебров, ПИЯФ РАН

2 1.β-распад нейтрона, Стандартная Модель и космология 2.Измерения времени жизни нейтрона, история, экспериментальные результаты 3.Измерение времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов а) Измерения n на реакторе ВВР-М, Гатчина б) Изучение проблемы аномальных потерь УХН в) Измерение n на высокопоточном реакторе ILL, Гренобль 4.Анализ новых результатов (Стандартная Модель и космология) 5.Перспективы исследований – увеличение точности измерений времени жизни нейтрона и асимметрий β-распада нейтрона

3 Kobayashi-Maskawa mixing matrix: β-распад нейтрона и Стандартная Модель

4 (статус в 2003)

5 β-распад нейтрона и космология

6 Измерения времени жизни нейтрона, история, экспериментальные результаты Lifetime τ[s]MethodRef./Year Storage of ultra-cold neutronsA. Serebrov et al Neutron beam experimentM.S. Dewey et al Storage of ultra-cold neutronsS. Arzumanov et al Neutron beam experimentJ. Byrne et al Storage of ultra-cold neutronsW. Mampe et al Storage of ultra-cold neutronsV. Nesvizhevski et al Neutron beam experimentR. Kosakowski Storage of ultra-cold neutronsW. Mampe et al Storage of ultra-cold neutronsW. Paul et al Neutron beam experimentJ. Last et al Neutron beam experimentP. Spivac et al Storage of ultra-cold neutronsA. Serebrov et al Neutron beam experimentM. Arnold et al Storage of ultra-cold neutronsY.Y. Kosvintsev et al Storage of ultra-cold neutronsY.Y. Kosvintsev et al Neutron beam experimentJ. Byrne et al Neutron beam experimentL. Bondarenko et al Neutron beam experimentC.J. Christensen et al world average 1998H. Abele 2000 n =6.5

7 Методы измерения времени жизни нейтрона (пучковый, хранение УХН)

8 n – number of collisions Neutron lifetime could be measured directly: corrections for losses are much less than 1 s. for solid oxygen much better! Прецизионные измерения времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов (оценка возможностей метода)

9 n = s (PNPI-JINR) = G A /G V = B = (PNPI) B = (PNPI-ILL) (PNPI-IAE) Parameters of universal cold neutron source: 6 liters of liquid Н 2 heat release 2 кW record flux of polarized cold neutrons f c = n/(s cm 2 ) Ф = n/s UCN ~ 10 n/cm 3 (первый результат эксперимента с гравитационной ловушкой УХН, бериллиевое покрытие, покрытие из твердого кислорода) Прецизионные измерения времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов

10 (первый результат эксперимента с гравитационной ловушкой УХН, бериллиевое покрытие, покрытие из твердого кислорода) Температурная зависимость фактора потерь УХН для различных бериллиевых ловушек: 1 – сферическая, напыленная бериллием ловушка, необезгаженная; 2 – цилиндрическая, напыленная бериллием ловушка, обезгаженная (5 часов при 250ºC); 3 – цельнометаллическая бериллиевая ловушка, обезгаженная (8 часов при 300ºC); 4 – сферическая, напыленная бериллием ловушка, обезгаженная (28 часов при 350ºC с протоком He и D 2 ); 5– теоретическая температурная зависимость, вычисленная в рамках Дебаевской модели. Результаты измерений как функция расчетного параметра. 1(Be) – экстраполяция к времени жизни нейтрона по данным для ловушек с бериллиевым покрытием, 2(O 2 ) – экстраполяция к времени жизни нейтрона по данным для ловушек с кислородным покрытием и бериллиевым подслоем. – результаты измерений для сферической ловушки, – результаты измерений для цилиндрической ловушки. Probability of anomalous losses n =888.4 ± 3.1 ± 1.1 с Preliminary result with wide trap and solid oxygen coating: n =872 ± 8 c

11 Исследование проблемы аномальных потерь УХН, обнаружение явления деполяризации УХН, квазиупругое рассеяние УХН Material Trap coating (Be) I (measurement in 1998) (0,72 0,07) Trap coating (Be) II (2,07 0,05) Be foil (measurements of 1998) (1,58 0,20) Be foil (measurements of 2000) (2,17 0,21) Be coating on copper rings (1,15 0,09) Be coating on Al foil (1,23 0,21) UCN depolarization Energy dependence of anomalous losses Quasielastic scattering on the surface of fomblin-oil

12 (продолжение эксперимента в Гренобле, покрытие из низкотемпературного масла) Setup for the measurement of n-lifetime at ILL (Grenoble, France) Прецизионные измерения времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов

13 1 – neutron guide from UCN Turbine; 2 – UCN inlet valve; 3 – beam distribution flap valve; 4 – aluminium foil (now removed); 5 – dirty vacuum volume; 6 – clean (UHV) vacuum volume; 7 – cooling coils; 8 – UCN storage trap; 9 – cryostat; 10 – mechanics for trap rotation; 11 – stepping motor; 12 – UCN detector; 13 – detector shielding; 14 – evaporator Схема экспериментальной установки с гравитационной ловушкой УХН

14 Диаграмма измерений времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой УХН

15 Измерение времени жизни нейтрона методом хранения УХН Total probability of UCN losses: Probability of losses in trap walls:

16 Расчет эффективной частоты соударений УХН со стенками ловушки

17 The chemical formula of LTF contains only C, O and F. Molecular weight - Density at r.t. g/ml Vapour pressure at r.t. mbar Fermi potential neV Calculation based on cold neutron transmission data predicts for LTF at 190K ( Yu.N.Pokotilovski, JETP 96, 2003) Trap surface is cooled to about C LTF evaporator is heated to C Vacuum Схема распыления низкотемпературного масла на поверхность ловушки

18 Процесс подготовки покрытия к измерениям, подавление процесса квазиупругого рассеяния УХН на флуктуациях поверхности жидкого покрытия

19 The result of joint size and energy extrapolation: Экстраполяция времени хранения к времени жизни нейтрона The result of energy extrapolation: The result of size extrapolation:

20 The result of energy extrapolation has rather strong dependence on (E) function. Statistical accuracy is poor due to small base of extrapolation. Экстраполяция к времени жизни нейтрона (энергетическая экстраполяция)

21 Экстраполяция к времени жизни нейтрона (размерная экстраполяция) Size extrapolation has rather weak dependence on (E) and we take it as the most reliable

22 Probability of diffuse scattering of UCN on LTF coating is more than 10% Монте-Карло модель эксперимента (моделирование процесса измерений)

23 Systematic error of gamma calculation method is ± s Монте-Карло модель эксперимента (моделирование экстраполяции времени хранения УХН к времени жизни нейтрона)

24 The uncoated part of surface ( ) Изучение стабильности покрытия

25 Influence of the residual gas to UCN losses was studied in additional experiments: Method of worse vacuum UCN storage time was measured at different vacuum conditions ( and mbar ) Calculated correction for storage time is (0.4 ± 0.02)s and (p )=9.5 mbar s Finally helium cryopump was installed close to UCN trap and measurements of UCN storage time were repeated (cryopump off and on) Изучение влияния вакуума на результаты измерений

26 n [s] = ± 0.7 stat ± 0.3 syst Окончательный результат для времени жизни нейтрона и ошибки измерений

27 Результат измерений времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой УХН и Стандартная Модель The new result is in agreement with Standard Model and with last result for A-asymmetry

28 Результат измерений времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой УХН и космология

29

30

31

32

33

34 Last result (Old result s)

35 The last most precise result n = s (2004) PNPI, ILL, JINR

36 Перспективы увеличения точности измерений времени жизни нейтрона и асимметрий β-распада нейтрона 1.Проект измерения времени жизни нейтрона с точностью n / n (фактор увеличения точности 3 4 раза) 2.Проект измерения асимметрии А с точностью А/А (фактор увеличения точности 3 раза)

37 Проект эксперимента для измерения времени жизни нейтрона с точностью n / n Монте-Карло модель Фактор увеличения статистической точности: 4.5 раза для широкой ловушки, 9 раз для широкой ловушки с перегородками.

38 Проект эксперимента для измерения асимметрии А с точностью А/А Vacuum chamberSuperconducting solenoid

39 Схема эксперимента, магнитный коллиматор sin 2 θ c = H 0 /H m θ c = 39 H 0 = 0.35 T H 0 /H 0 = mm, L=2690 mm H m = 0.87 T H m /H m = mm, L=50 mm HmHm H0H0 [ T ]

40 Основные соотношения, задачи для достижения точности А/А ~ tasks: 1.determination of average cosθ ( ) 2.determination of electron energy (

41 Создание высокопоточного пучка поляризованных холодных нейтронов и измерение поляризации с точностью

42 ?????????????????????? Заключение о возможных перспективах прецизионных измерений β-распада нейтрона