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  0.8 Storage of ultra-cold neutronsA. Serebrov et al  3.42 Neutron beam experimentM.S. Dewey et al  0.95 Storage of ultra-cold neutronsS. Arzumanov et al  4.8 Neutron beam experimentJ. Byrne et al  2.7 Storage of ultra-cold neutronsW. Mampe et al  3.1  1.1 Storage of ultra-cold neutronsV. Nesvizhevski et al  27  14 Neutron beam experimentR. Kosakowski  3.0 Storage of ultra-cold neutronsW. Mampe et al  10 Storage of ultra-cold neutronsW. Paul et al  10  19 Neutron beam experimentJ. Last et al  9 Neutron beam experimentP. Spivac et al  8 Storage of ultra-cold neutronsA. Serebrov et al  17 Neutron beam experimentM. Arnold et al  13 Storage of ultra-cold neutronsY.Y. Kosvintsev et al  95 Storage of ultra-cold neutronsY.Y. Kosvintsev et al  18 Neutron beam experimentJ. Byrne et al  8 Neutron beam experimentL. Bondarenko et al  14 Neutron beam experimentC.J. Christensen et al  0.9 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 =  3.1  1.1 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 = 1.8  10 9 n/(s  cm 2 ) Ф = 9  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 (4.4  1.3)  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 (5  and 8  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  2.7 s)

35 The last most precise result  n =  0.8 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  0.3  (фактор увеличения точности 3  4 раза) 2.Проект измерения асимметрии А с точностью  А/А  2  (фактор увеличения точности 3 раза)

37 Проект эксперимента для измерения времени жизни нейтрона с точностью  n /  n  0.3  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  2  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 = 2   210 mm, L=2690 mm H m = 0.87 T  H m /H m = 2   150 mm, L=50 mm HmHm H0H0 [ T ]

40 Основные соотношения, задачи для достижения точности  А/А ~ tasks: 1.determination of average cosθ (1  2  ) 2.determination of electron energy (<10 -3 ) 3.determination of neutron beam polarization (1  2  ) 4.determination of experimental asymmetry X (ΔX/X <10 -3 )

41 Создание высокопоточного пучка поляризованных холодных нейтронов и измерение поляризации с точностью 1.5  10 -3

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