1

Бета-распад нейтрона и Стандартная Модель

(измерение времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов)

12 мая 2005 года, МоскваМарковские 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

V F udG G V

A0 2

V

1G A 2

G 1 3

ud us ub

cd cs cb

td ts tb

d V V V d

s V V V s

b V V V b

u

n d

d

u

d p

u

e-

eW-

GA

GV

2

ud 2n

4908 4 секV

1 3

R R 2 2 2

ud F

kft 1 1

V G 1 3

4

β-распад нейтрона и Стандартная Модель(статус в 2003)

2 2 2

ud us ubV V V

1 0.9924(28)

0.0076(28) 2.7

2

ud

2

us

2

ub

V 0.9717(13)

V 0.2196(23)

V 0.0036(9)

5

β-распад нейтрона и космология

Δ 1% Δ =0.75% 0.61%

Δ 1% Δ =17% 3.3%

n

n

Y

2

1 2 53

1 32F

n A e

Gf g m

6

1985 1990 1995 2000 2005820

840

860

880

900

920

940

878.5±0.8

885.7±0.8

new result

neut

ron

lifet

ime

(),

s

year

world average

Измерения времени жизни нейтрона, история, экспериментальные результаты

Lifetime τ[s] Method Ref./Year

878.5 0.8 Storage of ultra-cold neutrons A. Serebrov et al. 2005

886.8 3.42 Neutron beam experiment M.S. Dewey et al. 2003

885.4 0.95 Storage of ultra-cold neutrons S. Arzumanov et al. 2000

889.2 4.8 Neutron beam experiment J. Byrne et al. 1995

882.6 2.7 Storage of ultra-cold neutrons W. Mampe et al. 1993

888.4 3.1 1.1 Storage of ultra-cold neutrons V. Nesvizhevski et al. 1992

878 27 14 Neutron beam experiment R. Kosakowski 1989

887.6 3.0 Storage of ultra-cold neutrons W. Mampe et al. 1989

877 10 Storage of ultra-cold neutrons W. Paul et al. 1989

876 10 19 Neutron beam experiment J. Last et al. 1988

891 9 Neutron beam experiment P. Spivac et al. 1988

872 8 Storage of ultra-cold neutrons A. Serebrov et al. 1987

870 17 Neutron beam experiment M. Arnold et al. 1987

903 13 Storage of ultra-cold neutrons Y.Y. Kosvintsev et al. 1986

875 95 Storage of ultra-cold neutrons Y.Y. Kosvintsev et al. 1980

937 18 Neutron beam experiment J. Byrne et al. 1980

881 8 Neutron beam experiment L. Bondarenko et al. 1978

918 14 Neutron beam experiment C.J. Christensen et al. 1972

885.8 0.9 world average 1998 H. Abele 2000

n=6.5

7

Методы измерения времени жизни нейтрона

stor .t /0N N e

1 1 1stor. n loss.

1p n n pN N t v

(пучковый, хранение УХН)

8

V iW

2x A coskx 2 2Im xx Be æ

2

2mk E

2

2mV E

æ

22 1 i / k

R1 i / k

æ

æ

2 E1 R 2 k /

V E

æ = 2

abs inelW Imb

V Reb 2 Reb

7 -7 Be 3 10 3.7 10

n – number of collisions

6storage n t 10 s

Neutron lifetime could be measured directly: corrections for losses are much less than 1 s.

2

8 O 10 for solid oxygen much

better!

t 0.5 s

6n=2.7 10

Прецизионные измерения времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой ультрахолодных нейтронов

(оценка возможностей метода)

9

n = 888.43.11.1 s(PNPI-JINR)

= GA/GV = -1.25940.0038B = 0.98940.0083 (PNPI)B = 0.98210.0040 (PNPI-ILL)(PNPI-IAE)

Parameters of universal cold neutron source:• 6 liters of liquid Н2

• heat release 2 кW • record flux of polarized cold neutrons fc = 1.8109 n/(scm2) Ф = 91010 n/s• UCN ~ 10 n/cm3

(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)

0,0

3,0x10-5

6,0x10-5

9,0x10-5

1,2x10-4

1,5x10-4

Температура, К

Ф

акт

ор

по

тер

ь (

)

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 D2);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(O2) – 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)

(0,720,07)10-

5

Trap coating (Be) II (2,070,05)10-

5

Be foil

(measurements of 1998)

(1,580,20)10-

5

Be foil

(measurements of 2000)

(2,170,21)10-

5

Be coating on copper rings

(1,150,09)10-

5

Be coating on Al foil

(1,230,21)10-

5

UCN depolarization

0 10 20 30 40 50 60 700

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-1

loss

, 1

0-5 s

-1

E, cm

Be

LTF oil

Energy dependence of anomalous losses

Quasielastic scattering on the surface of fomblin-oil

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 600

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

background

Pro

ba

bili

ty o

f q

ua

si-e

last

ic s

catt

eri

ng

()

Co

un

ts p

er

cycl

e

Temperature, oС

0,0

2,0x10-6

4,0x10-6

6,0x10-6

8,0x10-6

1,0x10-5

1,2x10-5

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

010-2

10-1

100

101

102

103

104

105

Co

un

t ra

te

700 1000 1500 2000 2500 30000

10

20

30

40

010-2

10-1

100

101

102

103

104

105

Co

un

t ra

te

700 1000 1500 2000 2500 30000

10

20

30

40

Time, s

2 1

1

2

ln

hold holdst

t t

N

N

Диаграмма измерений времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой УХН

15

Измерение времени жизни нейтрона методом хранения УХН

Im( )

Re( )F

F

U

U wall loss coefficient

E loss weighted wall collision frequ ency

1 11 1 (1)(2) (1)(1) 1 1

(1)1 1 (2) (2)(2)

(1) 1

storage storagestorage nn storage

storage n

E

E E

E

1 1 1storage n loss

Total probability of UCN losses:

Probability of losses in trap walls:

1loss E

16

0 10 20 30 40 50 60 700

10000

20000

30000

40000

Measurement of UCN spectrum

Co

un

t o

f ca

ptu

red

UC

N

Gravitational barrier height, cm

wide trap narrow trap

0 10 20 30 40 50 60 700

2

4

6

8

10

12

narrow trap wide trap

( )є

UCN energy, neV

*

*1 0

0

1( )v( )

4

( )

( ) ( )( )

( )

h

wall h

n

n

є mgh є mgh є mgh dS hє

є mgh dV h

* є

hmg

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 -1500C

LTF evaporator is heated to +1400C

Vacuum

Схема распыления низкотемпературного масла на поверхность ловушки

18

-160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40

0

200

400

600

800 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40

800810820830840850860870880

Integral count during 1000 sof holding time

Temperature dependence of UCN storage time

b)

Cooling

Warming

Co

un

t/cy

cle

Trap temperature, oC

a)

U

CN

sto

rag

e ti

me,

s

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

19

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1,130x10-3

1,135x10-3

1,140x10-3

1,145x10-3

1,150x10-3

1,155x10-3

1,160x10-3

1/storage

, s-1 storage

, s

885

880

875

870

865

860

world average n=885.7(7)s

, s-1

The result of joint size and

energy extrapolation:

877.60 0.65 Jn s

878.07 0.73 Sn s

875.55 1.60En s

6(2.23 0.19) 10 2 0.95

Экстраполяция времени хранения к времени жизни нейтрона

The result of energy

extrapolation:

The result of size

extrapolation:

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1,130x10-3

1,135x10-3

1,140x10-3

1,145x10-3

1,150x10-3

1,155x10-3

1,160x10-3

1/storage

, s-1 storage

, s

885

880

875

870

865

860

world average n=885.7(7)s

, s-1

The result of energy

extrapolation has rather

strong dependence on

(E) function.

Statistical accuracy is

poor due to small base

of extrapolation.

875.55 1.6 n s

Экстраполяция к времени жизни нейтрона(энергетическая экстраполяция)

21

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65870

875

880

885

n-l

ifet

ime,

sAverage UCN energy, neV

878.07 0.73 n s

2 1.2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1,130x10-3

1,135x10-3

1,140x10-3

1,145x10-3

1,150x10-3

1,155x10-3

1,160x10-3

1/storage

, s-1 storage

, s

885

880

875

870

865

860

world average n=885.7(7)s

, s-1

Экстраполяция к времени жизни нейтрона(размерная экстраполяция)

Size extrapolation has rather weak dependence on (E) and we take it as the most reliable

22

800 900 1000 1100 1200 13000

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

Count

Time, s

experiment 10%, 100%

800 850 9000

10000

20000

30000

40000

Count

Time, s

narrow trap experiment 0.1% 1% 10%, 100%

Probability of diffuse scattering of UCN on LTF coating is more than 10%

Монте-Карло модель эксперимента(моделирование процесса измерений)

23

800 900 1000 1100 1200 13000

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

Count

Time, s

experiment 10%, 100%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-5,0x10-6

0,0

5,0x10-6

1,0x10-5

1,5x10-5

2,0x10-5

2,5x10-5

st -

n0, s-1

-10

-15

-5

n0

Gamma,1/s

diffusion 1% diffusion 10%

0

-1st - -1

n0, s-1

Systematic error of gamma calculation method is - 0.017 ± 0.236 s

Монте-Карло модель эксперимента(моделирование экстраполяции времени хранения УХН

к времени жизни нейтрона)

24

History of measurementsWide trap

1 4 evaporations of LTF ( 3; 3; 3; 3,2 ml)

2 new evaporation of LTF ( 3 ml)

3 warming to r.t., pumping 15 days and cooling

4 new evaporation of LTF ( 3 ml)

5 warming to r.t. and cooling

6 new evaporation of LTF ( 3 ml)

Narrow trap

1 3 evaporations of LTF ( 4,2 ; 2; 2 ml)

2 warming to r.t., pumping 2 months and cooling

3 new evaporation of LTF ( 2 ml),

warming to -30C and cooling

4 warming to r.t. and cooling

5 new evaporation of LTF ( 2 ml)

6 new evaporation of LTF ( 1,6 ml)

0 1 2 3 4 5 6 7

860

865

870

8752=0.58

2=1.15Narrow trap

Wide trap

Storage time, s

Run number 1 9 0.6 s* Be LTF Ti LTFst st .

The uncoated part of surface (4.41.3)10-

7

Изучение стабильности покрытия

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

860

865

870

875

Cryopump on

Cryopump off

Cryopump on

Narrow trap

Wide trap

Storage time, s

Run number

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

(510-6 and 810-4 mbar ) Calculated correction for storage time is (0.4 ± 0.02)s and (p)=9.5 mbars

• 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] = 878.5 ± 0.7stat ± 0.3syst

Size extrapolation Value,s Uncertainty, s

n-lifetime 878,07 0,73

Systematic effect Value,s Uncertainty, s

Method of values calculation 0 0,236

Influence of mu-function shape 0 0,144

Spectrum uncertainties 0 0,104

Uncertainties of traps sizes(1mm) 0 0,058

Influence of the residual gas 0,40 0,024

Uncertainty of LTF critical energy (20 neV) 0 0,004

Total systematic effect 0,40 0,30

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

Δ 1% Δ =0.75% 0.61%

Δ 1% Δ =17% 3.3%

n

n

Y

Результат измерений времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой УХН и

космология

29

30

st syst886 8 1.2 3.2 s.

31

32

887 6 3 s.

33

34

5 -1λ 10 s

5 -1ie thλ ε /ε 10 s

Last result

(Old result 882.6 2.7 s)

0 5 10 15 20 25 30 35100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

35

The last most precise result

n = 878.5 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 0.310-3 (фактор увеличения точности 34 раза)

2. Проект измерения асимметрии А с точностью А/А 210-3

(фактор увеличения точности 3 раза)

37

Проект эксперимента для измерения времени жизни нейтрона с точностью n/n 0.310-3

Монте-Карло модель

Фактор увеличения статистической точности: 4.5 раза для широкой ловушки, 9 раз для широкой ловушки с перегородками.

800 1000 1200 14000

200

400

600

800

1000

1200

cou

nt

time, s

wide trap

38

Проект эксперимента для измерения асимметрии А с точностью А/А 210-3

Vacuum chamber Superconducting solenoid

39

Схема эксперимента, магнитный коллиматор

sin2θc = H0/Hm θc = 39H0 = 0.35 T H0/H0 = 210-3

210 mm, L=2690 mmHm = 0.87 T Hm/Hm = 210-3

150 mm, L=50 mm0 1000 2000 3000 4000

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

c=39o, E

e=200 keV

proton detectorelectron detector

y -

[mm

]

Z - [mm]

neutron beam

-4eσ

eσ

eσ

dcosθ=1.3×10

cosθ

cosθ 0.88835

0 2 4 6 8 100

2

4

6

8

10

0 1000 2000 3000 40000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Distribution of magnetic field along axis in the correlation spectrometer

p-detector

e-detector

-decay area

ma

gn

etic

str

en

gth

, H

[A

/m]

distance, z [mm]

Hm

H0

[ T ]

40

Основные соотношения, задачи для достижения точности А/А ~ 10-3

ee

ee

where - probability of β-decay

- energy and momentum of electron

- momentum of antineutrino

- electron velocity

- neutron beam polarization

-

W E ,p ,p

E ,p

correlati

p

v

P

a, on coefficient, sA B

4 tasks:1. determination of average cosθ (1210-4)2. determination of electron energy (<10-3)3. determination of neutron beam polarization (1210-3)4. determination of experimental asymmetry X (ΔX/X <10-3)

e e ee e

v vW E ,p ,p =f(E ) 1 + a cos p ,p ± AP cos σ,p ± BPcos σ,p

c c

���������������������������������������������������� ����

eσN -N v

X= =A PcosθcN +N

e ν

e

Average cos p ,p =0

Average cos σ,p =0

We have to collect all protons!

����������������������������

41

Создание высокопоточного пучка поляризованных холодных нейтронов и измерение поляризации с

точностью 1.510-3

42

???

??????

??

Заключение о возможных перспективах прецизионных измерений β-распада нейтрона