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+) ~ 31024 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 106/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 ?