t - PNPI

Ловушки Пеннинга для
фундаментальной физики
Эксперименты на
SHIPTRAP и PENTATRAP
Сергей Елисеев
K. Blaum, M. Block, Ch. Böhm, С. Ченмарёв, A. Dörr,
C. Droese, П. Филянин, М. Гончаров,
E. Minaya Ramirez, Д. Нестеренко, Ю.Н. Новиков,
A. Rischka, V. Simon
Масса Нуклидов: от коротко-живущих до стабильных
физика
примеры
dm/m
структура ядер
оболочки, области деформации, гало,
границы нейтронной и протонной стабильности,
остров стабильности сверхтяжёлых нуклидов
10-6 - 10-7
пути rp- и r-процессов,
100-10 кэВ
астрофизика
скорости ядерных реакций, нуклидный
состав нейтронных звёзд, .................
слабые взаимодействия
метрология,
фундаментальные
константы
нейтринная физика
масса нейтрино
стерильное нейтрино
CPT
QED в сильных э/м полях
гипотеза CVC, унитарность CKM матрицы
α (h/mCs, mCs /mp, mp/me ),
0nbb, 0n2EC
mSi
10-8
1 кэВ
10-9 - 10-10
100-10 эВ
b-распад, EC
mp и mp me- и me+
энергия связи электронов
10-10 - 10-11
10-1 эВ
Ловушка Пеннинга
самый точный спектрометр масс
сильное однородное
постоянное магнитное
поле
B
B
q/m
q/m
1 qB
nc =2p m
Ловушка Пеннинга
SHIPTRAP
JYFLTRAP
TRIGATRAP
MLLTRAP
DB
< 5 · 10-9 h-1
B
THe-TRAP
Max-Planck Institute for Nuclear Physics,
Heidelberg
сильное однородное
постоянное магнитное
поле
B
B
q/m
q/m
1 qB
nc =2p m
DB
< 10-11 h-1
B
Ловушка Пеннинга
магнитное поле
электростатическое поле
B
B
q/m
q/m
B
Ловушка Пеннинга
циклотронное движение
магнетронное движение
аксиальное движение
n+
nnz
B
однозарядные ионы 132Xe:
n+ ≈ 800 kГц
nz ≈ 40 kГц
n- ≈ 1 kГц
присутствие газа (гелий):
циклотронное
n+
и аксиальное
nz
затухают
радиус магнетронного движения
увеличивается !!!
возбуждение:
r-
конвертация:
r-(t) r+(t)
n-
nrf = n++ nr-2 (t)+ r2+(t)=Const
циклотронное движение:
1 1
2 
n   n c    1  2n z 
2 2

магнетронное движение:
1 1
2 
n   n c    1  2n z 
2 2

1
nz 
2p
аксиальное движение:
n  n n n
2
c
2

2

2
z
q U
 2
m d
dn c
 10 10
nc
долгоживущие и стабильные нуклиды
n c  n  n 
короткоживущие нуклиды
dn c
10
 10
nc
Установки на базе ловушек Пеннинга
JYFLTRAP
TITAN
TRIGATRAP
CPT
LEBIT
SHIPTRAP
THe-TRAP
ISOLTRAP
FSU
on-line установки (короткоживущие нуклиды)
dm/m ~ 10-6 - 10-8
off-line установкa (стабильные нуклиды)
dm/m ~ 10-10
PENTATRAP
методика ToF-ICR
методика FT-ICR
Установки на базе ловушек Пеннинга
JYFLTRAP
2006
TITAN
2008
CPT
2004
TRIGATRAP
2008
LEBIT
2005
ISOLTRAP
1987
on-line установки (короткоживущие нуклиды)
dm/m ~ 10-6 - 10-8
методика ToF-ICR
SHIPTRAP
2007
тип реакций
фрагментация
p (0.5 или 1.4 ГэВ) + U
фрагментация
Ионы (100 MэВ/u) + Be
слияние испарение
спонтанное
деление
деление
нейтронами
Установки на базе ловушек Пеннинга
JYFLTRAP
TITAN
CPT
TRIGATRAP
LEBIT
ISOLTRAP
on-line установки (короткоживущие нуклиды)
dm/m ~ 10-6 - 10-8
методика ToF-ICR
SHIPTRAP
Установка SHIPTRAP
ионные источники
(ICR, Penning)
протоны - уран
UNILAC
(a few MeV/u)
SHIP (фильтр по скоростям) + SHIPTRAP
Фильтр по скоростям SHIP
48Ca
+ 208Pb
256No*
252-255No
+ нейтроны
SHIPTRAP
мишень 208Pb
(thickness 0.5 мг/cм2)
48Ca
с UNILAC
(4.7 MэВ/н; 10 emA)
Установка SHIPTRAP
150-1000 kэВ/н
камера
остановки
продукты
реакции с
SHIP
≈ 1 эВ
линейная
ловушка
Пауля
ловушки Пеннинга
сверхпроводящий магнит
MCPдетектор
ловушка
очистки
≈ 5 метров
измерительная
ловушка
ловушка очистки
сверхпроводящий магнит
MCPдетектор
ловушка
очистки
измерительная
ловушка
50 мм
1.5 мм
ионы
диафрагма
гелий (10-4 мбар)
32 мм
ловушка очистки
(1) захват ионов в ловушке очистки
сверхпроводящий магнит
(2) возбуждение n- движения
(3) конвертация n- в n+ на частоте
nc (M) = n- + n+ (M)
ловушка
очистки
(4) транспортировка ионов М в
измерительную ловушку
MCPдетектор
измерительная
ловушка
50 мм
1.5 мм
ионы
диафрагма
гелий (10-4 мбар)
32 мм
ловушка очистки
58Ni+92Mo→150Yb*
разделение изобар; m/Dm ≈ 100,000
сверхпроводящий магнит
MCPдетектор
ловушка
очистки
измерительная
ловушка
50 мм
1.5 мм
ионы
диафрагма
гелий (10-4 мбар)
32 мм
методика ToF-ICR
(Time-of-Flight Ion-Cyclotron-Resonance)


 B
F  m 
z
m ~n  r
2
больше m → меньше ToF
методика ToF-ICR
(Time-of-Flight Ion-Cyclotron-Resonance)


 B
F  m 
z
m ~n  r
2
больше m → меньше ToF
захват
методика ToF-ICR
(Time-of-Flight Ion-Cyclotron-Resonance)


 B
F  m 
z
m ~n  r
2
больше m → меньше ToF
захват
возбуждение n
m~r2n
методика ToF-ICR
(Time-of-Flight Ion-Cyclotron-Resonance)


 B
F  m 
z
m ~n  r
2
больше m → меньше ToF
захват
возбуждение n
m~r2n
конвертация nrf≈ nc
m~r2n
методика ToF-ICR
(Time-of-Flight Ion-Cyclotron-Resonance)


 B
F  m 
z
m ~n  r
2
больше m → меньше ToF
Измерение ToF
конвертация nrf≈ nc
ToF
возбуждение n
m~r2n
m~r2n
ToF
захват
0
nrf-nc
методика ToF-ICR
Dr=HWHM
r
nc
 1.6 n c 
Dn c
1.6 Dr
dnc 
 N r
методика ToF-ICR
однозарядные ионы M=200
nc≈500 kГц
N=1000
разрешающая способность
trapping time
точность измерения массы
trapping time
измерения на SHIPTRAP с 2007
C. Rauth et al., Eur. Phys. J. Special Topics 150 (2007) 329
A. Martín et al., Eur. Phys. J. A 34 (2007) 341
C. Rauth et al., Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 012501
C. Weber et al., Phys. Rev. C 78 (2008) 054310
M. Block et al., Nature 463 (2010) 785
E. Minaya Ramirez et al., Science 337 (2012) 1207
трансурановые элементы
82
протонные излучатели
rp-процесс
126
50
82
28
20
50
28
8
20
8
Массы ~ 80
короткоживущих нуклидов
(T1/2 ~ 1 s)
dm
-8
10
>
5·
m
трансурановые элементы
трансурановые элементы
48Ca
+ 206-208Pb
48Ca
+ 209Bi
252-255No
255,256Lr
+ нейтроны
+ нейтроны
трансурановые элементы
нуклид
Т1/2(gs)
Т1/2(is)
реакция
s
счёт в ловушке
252No
2.44 с
110 мс
206Pb(48Ca,2n)252No
400 нбарн
3.3 ионов / час
253No
1.62 мин
<1 мс
207Pb(48Ca,2n)253No
1 mбарн
8 ионов / час
254No
51 с
266 мс
208Pb(48Ca,2n)254No
1.8 mбарн
15 ионов / час
255No
3.52 мин
208Pb(48Ca,1n)255No
140 нбарн
1 ионов / час
255Lr
31.1 с
2.54 с
209Bi(48Ca,2n)255Lr
200 нбарн
1.5 ионов / час
256Lr
27 с
266 мс
209Bi(48Ca,1n)256Lr
60 нбарн
0.5 ионов / час
(48 ионов / 93 часа)
-
трансурановые элементы
поиск резонансно-ускоренных 0n2EC переходов
d(m1-m2)
-9
10
~
m
захват двух орбитальных электронов ядром
двух-нейтринный (2n2EC)
безнейтринный (0n2EC)
захват двух орбитальных электронов ядром
безнейтринный (0n2EC)
если существует:
•
•
нейтрино – частицы Майорана, n = n
нарушение полного лептонного числа
измерение периода полураспада:
•
эффективная майорановская масса нейтрино
| mbb || i U ei2  mi |
безнейтринный двойной электронный захват
ожидаемый T1/2 > 1030 лет
1
T1 / 2
~
Γ
(Q  B
 Eγ 
2
2h
1 2
 Γ
4
безнейтринный двойной электронный захват
ожидаемый T1/2 > 1030 лет
1
T1 / 2
~
Γ
(Q  B
 Eγ 
2
2h
1 2
 Γ
4
резонансное усиление процесса: T1/2 < 1023 лет
безнейтринный двойной электронный захват
ожидаемый T1/2 > 1030 лет
1
T1 / 2
~
Γ
(Q  B
 Eγ 
2
2h
1 2
 Γ
4
резонансное усиление процесса: T1/2 < 1023 лет
поиск переходов с (Q-B2h-Eg) < 1 kэВ
измерение Q=M1-M2 с точностью ~ 100 эВ
измерение Q-значений на SHIPTRAP
nc
nc
daughter
mother
-M
daughter
= M
•
Q=M
daughter
mother
-1
исследованные 0n2EC переходы
112Sn
→ 112Cd
74Se
→ 74Ge
JYFLTRAP, V. S. Kolhinen et al., Phys. Lett. B 684, 17 (2010)
FSU, B. J. Mount et al., Phys. Rev. C 81, 032501(R) (2010)
136Ce
→ 136Ba
JYFLTRAP, V. S. Kolhinen et al., Phys. Lett. B 697, 116 (2011)
152Gd
→ 152Sm
164Er
→ 164Dy
180W
→ 180Hf
96Ru
→ 96Mo
162Er
→ 162Dy
168Yb
→ 168Er
106Cd
→ 106Pd
156Dy
→ 156Gd
124Xe
→ 124Te
130Ba
→
184Os
→ 184W
130Xe
JYFLTRAP, S. Rahaman et al., Phys. Rev. Lett. 103, 042501 (2009)
измерения на SHIPTRAP/GSI
Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 052504; 107 (2011) 152501;
Phys. Rev. C 83 (2011) 038501; 84 (2011) 028501; 84 (2011) 012501;
Nucl. Phys. A 875 (2012) 1;
программа измерений завершена !
0+ → 0+ переходы
между основными ядерными состояниями
2EC-переход
152Gd
→ 152Sm
Q (old), kэВ
D (old), kэВ
54.6(3.5)
-0.2(3.5)
Q (new), kэВ
D (new), kэВ
55.7(0.2)
0.9(0.2)
T1/2·|m2EC|2, лет
1026
164Er
→ 164Dy
23.3(3.9)
5.2(3.9)
25.07(0.12)
6.81(0.12)
2·1030
180W
→ 180Hf
144.4(4.5)
13.7(4.5)
143.1(0.2)
12.4(0.2)
3·1027
JYFLTRAP, S. Rahaman et al., Phys. Rev. Lett. 103, 042501 (2009)
несколько резонансно-ускоренных переходов в 156Dy
 |M| =3 for 0+ → 0+
T1/2 (0+→0+) ~ 31024 y
|m2EC|=1 эВ
текущая активность
на SHIPTRAP
разработка новой
методики измерения масс
Nuclear Chart
Nuclear Chart
методика измерения масс
должна обеспечивать
точность dm/m~10-8 для нуклидов с T1/2~ 100 мс
разрешение изомерных состояний с E ~ 30 кэВ
методика ToF-ICR
однозарядные ионы M=200
nc≈500 kГц
N=1000
разрешающая способность
trapping time
точность измерения массы
trapping time
новая методика измерения масс
однозарядных ионов
• увеличение разрешения: ~ 40
• значительно более быстрая
• увеличение точности: ~ 5
определение массы нейтрино с точностью 0.2 эВ
- Проект
Анализ
dQ ~ 1 эВ (dQ/m < 10-11)
dQ ~ 50 эВ (dQ/m < 3·10-10)
EC в 163Ho
b--распад 187Re
PENTATRAP
развитие
ECHo-проекта
определение массы нейтрино с точностью 0.2 эВ
- Проект
Анализ
dQ ~ 1 эВ (dQ/m < 10-11)
dQ ~ 50 эВ (dQ/m < 3·10-10)
EC в 163Ho
b--распад 187Re
PENTATRAP
развитие
ECHo-проекта
SHIPTRAP в 2014
измерение Q-значений
b-распада 187Re & EC в 163Ho
с точностью < 50 эВ
методика ToF-ICR
dm
-8
10
~
m
нуклиды с T1/2~ 1 с
d(m1-m2)
-9
10
~
m
0n2EC нуклиды
новая методика
dm
-8
10
~
m
d(m1-m2)
-10
10
~
m
нуклиды с T1/2~ 100 мс
долгоживущие массовые дубл.
новая методика PI-ICR
(Phase-Imaging Ion-Cyclotron-Resonance)
n c  n  n 
B
B
новая методика PI-ICR
(Phase-Imaging Ion-Cyclotron-Resonance)
n c  n  n 
B
B
  2pn
n 
2pt 
  2pn
n 
2pt 
n c  n  n 
ловушка Пеннинга
B
позиционно-чуствительный
MCP детектор
delayline MCP детектор RoentDek GmbH DLD40
активный диаметр
42 мм
диаметр канала
25 mм
xy - разешение
70 mм
макс. B
10 мTл
image of magnetron motion (G ≈ 20)
8 mm
1 mm
PI-ICR vs. ToF-ICR
PI-ICR
ToF-ICR
10-часовое измерение
d[M(124Xe) - M(124Te)] ~ 300 эВ
d[M(132Xe) - M(131Xe)] ~ 70 эВ !!!
увеличение точности: ~ 4.5 !!!
DM = M(132Xe) - M(131Xe)
d(DM)SHIPTRAP = ± 25 эВ
DMSHIPTRAP - DMreference = (9 ± 28) eV
впервые измерена разница масс
однозарядных тяжёлых нуклидов
с точностью 2·10-10 !!!
подготовка измерения Q-значений:
(1) b--распад 187Re Февраль 2014
(2)
EC в 163Ho
? 2014
с точностью < 50 эВ
определение массы нейтрино с точностью 0.2 эВ
- Проект
Анализ
dQ ~ 1 эВ (dQ/m < 10-11)
dQ ~ 50 эВ (dQ/m < 3·10-10)
EC в 163Ho
b--распад 187Re
PENTATRAP
развитие
ECHo-проекта
определение массы нейтрино с точностью 0.2 эВ
163Ho
163Dyh
+ ne (En)
163Dy
АНАЛИЗ СПЕКТРА РАЗРЯДКИ
+ Ec
m
n
криогенные m-калориметры (группа Prof. Enss, KIP, Uni Heidelberg)
АНАЛИЗ СПЕКТРА РАЗРЯДКИ
PENTATRAP/ MPIK
QEC-ЗНАЧЕНИЕ < 1 эВ
mn ~ 0.2 эВ
расположение
Max-Planck Institute for Nuclear Physics (Heidelberg)
Division “Stored and Cooled Ions”
(Prof. Blaum)
измерение масс высокозарядных,
долгоживущих нуклидов до урана
с точностью < 10-11
~ 3 meters
PENTATRAP
PENTATRAP
DREEBIT
187Re50+
100 ионов/с
~ 3 meters
создание высокозарядных ионов
PENTATRAP
H-EBIT
208Pbbare
HITRAP/GSI
short-lived
Pbbare
~ 3 meters
создание высокозарядных ионов
PENTATRAP
DREEBIT
187Re50+
~ 3 meters
100 ионов/с
PENTATRAP
транспортировка ионов
~ 3 meters
старт: ~7 kэВ/q
стоп: ~ эВ/q
PENTATRAP
измерение массы
~ 3 meters
точность < 10-11
PENTATRAP
1 q
nc 
 B
2p m
1
nz 
2p
q U
 2
m d
стабильность и однородность B-поля
стабильность и квадратичность U-ямы
высокие зарядовые состояния ионов
криогенные ловушки (4 К)
пять ловушек
FT-ICR методика измерения частот
стабилизация “всего и вся“
измерение частот в ловушке
187Os45+:
n ≈ 26 MГц, n- ≈ 7 kГц, nz = 600 kГц (B = 7 Tл, V0 = - 20.5 В)
R , R- << 1 mм, Rz ~ 10 mм
DB/B  106/см3, DB/B(t) = 10-10/час, DU/U(t) = 10-8/час
подавление вибраций
lab
пенопластовые
панели
70 см бетонная подушка
vibration of the lab floor
amplitude < 1 mm
стабилизация температуры
lab
Air Out
dT≈0.1K/day
Air In
пенопластовые
панели
Air In
экранирование ионов от внешних полей
lab
катушки Гемгольца
fluctuations of magnetic field in lab
dB/B < 2·10-9 в комнате
→ shielding factor of magnet
is ~ 100
dB
Bmagnet
 2 10 9
→ compensation factor of
Helmholtz coils is ~ 10
dB/B < 2·10-12 в ловушке
стабилизация давления и уровня гелия
Pressure reference cell
> 1 bar
control unit
стабилизация давления на уровне 1 µбар
стабилизация уровня на уровне 0.1 мм
control unit
120 mm
10 mm
состояние на 31.12.2013
удержание ионов Xe и измерение
их аксиальной частоты
состояние на 31.12.2013
удержание ионов Xe и измерение
их аксиальной частоты
(1) оптимизация ловушки
(2) измерение всех частот Xe
измерение Q-значения
b--распада 187Re
с точностью 1 эВ
2015 ?