73
1 Исследования на мюонном Исследования на мюонном канале Швейцарской канале Швейцарской мезонной фабрики мезонной фабрики Мюонный катализ ядерного Мюонный катализ ядерного dd- dd- и и dt- dt- синтеза синтеза . . Мюонный захват легкими Мюонный захват легкими ядрами ядрами : : µ µ - + р + р n + n + ν ν µ µ µ - + + 3 He He 3 H + H + ν ν µ µ µ - + + d d n+ n+ n + n + ν ν µ А.А.Воробьев Семинар ПИЯФ 21 февраля 2013 года

Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики. Мюонный катализ ядерного dd- и dt- синтеза . Мюонный захват легкими ядрами : µ - + р → n + ν µ µ - + 3 He → 3 H + ν µ µ - + d → n+ n + ν µ. А.А.Воробьев Семинар ПИЯФ 21 февраля 2013 года. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

11

Исследования на мюонном Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной канале Швейцарской мезонной

фабрикифабрики

Мюонный катализ ядерного Мюонный катализ ядерного

dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

Мюонный захват легкими ядрамиМюонный захват легкими ядрами

micromicro-- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

micromicro-- + + 33HeHe rarr rarr 33H +H +ννmicromicro

micromicro-- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

ААВоробьев Семинар ПИЯФ 21 февраля 2013 года

22

Сотрудничество Сотрудничество ccо Швейцарской мезонной фабрикой о Швейцарской мезонной фабрикой Институт Пауля Шеррера Институт Пауля Шеррера PSIPSI с 1986 года с 1986 года

Штат 1500 чел Бюджет 12 млрд руб

33

Протонные ускорители - генераторы мюонных пучковПротонные ускорители - генераторы мюонных пучков

Пучок протонов rarr мишень rarr пи-мезоны rarr мюоны Пучок протонов rarr мишень rarr пи-мезоны rarr мюоны

ЛабораторияЛаборатория УскорительУскоритель ЭнергияЭнергия

протоновпротоновТокТок КоэффициентКоэффициент

заполнениязаполнения

PSI PSI

ШвейцарияШвейцарияциклотронциклотрон 600 МэВ600 МэВ 3000 мкА3000 мкА 100 100

TRIUMPFTRIUMPF

КанадаКанадациклотронциклотрон 500 МэВ500 МэВ 100 мкА100 мкА 100 100

LAMPFLAMPF

СШАСШАЛинейныйЛинейный

ускорительускоритель800 МэВ800 МэВ 1000 мкА1000 мкА 1010

ММФММФ

ИЯИМоскваИЯИМоскваЛинейныйЛинейный

ускорительускоритель160 МэВ160 МэВ 100 мкА100 мкА 11

ПИЯФПИЯФ

ГатчинаГатчинаСинхро-Синхро-циклотронциклотрон

1000 МэВ1000 МэВ 2 мкА2 мкА 5050

44

PSI meson factory

600 MeV protons 3 mA extracted proton beam100 duty factor

Циклотрон PSI сегодня самый мощный в мире ускоритель протонов средних энергий

В PSI создан уникальный по интенсивности и качеству мюонный канал

55

laquoМюон по запросуraquo laquolaquoМюон по запросуraquo laquoMuon-on-RequestMuon-on-Requestraquoraquo

Средняя частота следования мюонов в пучке ~100 kHz

Требуется попадание в камеру только одного мюона за период измерения - 25s

Скорость набора статистики при использовании Kicker увеличилась в три раза

р

Kicker plusmn125 kВ Время переключения 60 нсек

66

Программа физических исследований

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза 1979-1987 (эксперименты в ПИЯФ) 1987- 1996 ( эксперименты в PSI)

Исследование ядерного мюонного захвата легкими ядрами (протон дейтрон Не3 )micro-micro- + + 3He3He rarr rarr 3H +3H +ννmicromicro ( ( 1993 1993 г завершен)г завершен)

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro (1997-2007 анализ завершен в 2012 (1997-2007 анализ завершен в 2012 г )г )

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro ( ведутся измерения)( ведутся измерения)

77

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза

88

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

99

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

1010

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

Rossi 2012 год H2+Ni

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 2: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

22

Сотрудничество Сотрудничество ccо Швейцарской мезонной фабрикой о Швейцарской мезонной фабрикой Институт Пауля Шеррера Институт Пауля Шеррера PSIPSI с 1986 года с 1986 года

Штат 1500 чел Бюджет 12 млрд руб

33

Протонные ускорители - генераторы мюонных пучковПротонные ускорители - генераторы мюонных пучков

Пучок протонов rarr мишень rarr пи-мезоны rarr мюоны Пучок протонов rarr мишень rarr пи-мезоны rarr мюоны

ЛабораторияЛаборатория УскорительУскоритель ЭнергияЭнергия

протоновпротоновТокТок КоэффициентКоэффициент

заполнениязаполнения

PSI PSI

ШвейцарияШвейцарияциклотронциклотрон 600 МэВ600 МэВ 3000 мкА3000 мкА 100 100

TRIUMPFTRIUMPF

КанадаКанадациклотронциклотрон 500 МэВ500 МэВ 100 мкА100 мкА 100 100

LAMPFLAMPF

СШАСШАЛинейныйЛинейный

ускорительускоритель800 МэВ800 МэВ 1000 мкА1000 мкА 1010

ММФММФ

ИЯИМоскваИЯИМоскваЛинейныйЛинейный

ускорительускоритель160 МэВ160 МэВ 100 мкА100 мкА 11

ПИЯФПИЯФ

ГатчинаГатчинаСинхро-Синхро-циклотронциклотрон

1000 МэВ1000 МэВ 2 мкА2 мкА 5050

44

PSI meson factory

600 MeV protons 3 mA extracted proton beam100 duty factor

Циклотрон PSI сегодня самый мощный в мире ускоритель протонов средних энергий

В PSI создан уникальный по интенсивности и качеству мюонный канал

55

laquoМюон по запросуraquo laquolaquoМюон по запросуraquo laquoMuon-on-RequestMuon-on-Requestraquoraquo

Средняя частота следования мюонов в пучке ~100 kHz

Требуется попадание в камеру только одного мюона за период измерения - 25s

Скорость набора статистики при использовании Kicker увеличилась в три раза

р

Kicker plusmn125 kВ Время переключения 60 нсек

66

Программа физических исследований

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза 1979-1987 (эксперименты в ПИЯФ) 1987- 1996 ( эксперименты в PSI)

Исследование ядерного мюонного захвата легкими ядрами (протон дейтрон Не3 )micro-micro- + + 3He3He rarr rarr 3H +3H +ννmicromicro ( ( 1993 1993 г завершен)г завершен)

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro (1997-2007 анализ завершен в 2012 (1997-2007 анализ завершен в 2012 г )г )

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro ( ведутся измерения)( ведутся измерения)

77

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза

88

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

99

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

1010

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

Rossi 2012 год H2+Ni

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 3: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

33

Протонные ускорители - генераторы мюонных пучковПротонные ускорители - генераторы мюонных пучков

Пучок протонов rarr мишень rarr пи-мезоны rarr мюоны Пучок протонов rarr мишень rarr пи-мезоны rarr мюоны

ЛабораторияЛаборатория УскорительУскоритель ЭнергияЭнергия

протоновпротоновТокТок КоэффициентКоэффициент

заполнениязаполнения

PSI PSI

ШвейцарияШвейцарияциклотронциклотрон 600 МэВ600 МэВ 3000 мкА3000 мкА 100 100

TRIUMPFTRIUMPF

КанадаКанадациклотронциклотрон 500 МэВ500 МэВ 100 мкА100 мкА 100 100

LAMPFLAMPF

СШАСШАЛинейныйЛинейный

ускорительускоритель800 МэВ800 МэВ 1000 мкА1000 мкА 1010

ММФММФ

ИЯИМоскваИЯИМоскваЛинейныйЛинейный

ускорительускоритель160 МэВ160 МэВ 100 мкА100 мкА 11

ПИЯФПИЯФ

ГатчинаГатчинаСинхро-Синхро-циклотронциклотрон

1000 МэВ1000 МэВ 2 мкА2 мкА 5050

44

PSI meson factory

600 MeV protons 3 mA extracted proton beam100 duty factor

Циклотрон PSI сегодня самый мощный в мире ускоритель протонов средних энергий

В PSI создан уникальный по интенсивности и качеству мюонный канал

55

laquoМюон по запросуraquo laquolaquoМюон по запросуraquo laquoMuon-on-RequestMuon-on-Requestraquoraquo

Средняя частота следования мюонов в пучке ~100 kHz

Требуется попадание в камеру только одного мюона за период измерения - 25s

Скорость набора статистики при использовании Kicker увеличилась в три раза

р

Kicker plusmn125 kВ Время переключения 60 нсек

66

Программа физических исследований

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза 1979-1987 (эксперименты в ПИЯФ) 1987- 1996 ( эксперименты в PSI)

Исследование ядерного мюонного захвата легкими ядрами (протон дейтрон Не3 )micro-micro- + + 3He3He rarr rarr 3H +3H +ννmicromicro ( ( 1993 1993 г завершен)г завершен)

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro (1997-2007 анализ завершен в 2012 (1997-2007 анализ завершен в 2012 г )г )

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro ( ведутся измерения)( ведутся измерения)

77

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза

88

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

99

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

1010

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

Rossi 2012 год H2+Ni

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 4: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

44

PSI meson factory

600 MeV protons 3 mA extracted proton beam100 duty factor

Циклотрон PSI сегодня самый мощный в мире ускоритель протонов средних энергий

В PSI создан уникальный по интенсивности и качеству мюонный канал

55

laquoМюон по запросуraquo laquolaquoМюон по запросуraquo laquoMuon-on-RequestMuon-on-Requestraquoraquo

Средняя частота следования мюонов в пучке ~100 kHz

Требуется попадание в камеру только одного мюона за период измерения - 25s

Скорость набора статистики при использовании Kicker увеличилась в три раза

р

Kicker plusmn125 kВ Время переключения 60 нсек

66

Программа физических исследований

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза 1979-1987 (эксперименты в ПИЯФ) 1987- 1996 ( эксперименты в PSI)

Исследование ядерного мюонного захвата легкими ядрами (протон дейтрон Не3 )micro-micro- + + 3He3He rarr rarr 3H +3H +ννmicromicro ( ( 1993 1993 г завершен)г завершен)

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro (1997-2007 анализ завершен в 2012 (1997-2007 анализ завершен в 2012 г )г )

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro ( ведутся измерения)( ведутся измерения)

77

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза

88

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

99

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

1010

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

Rossi 2012 год H2+Ni

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 5: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

55

laquoМюон по запросуraquo laquolaquoМюон по запросуraquo laquoMuon-on-RequestMuon-on-Requestraquoraquo

Средняя частота следования мюонов в пучке ~100 kHz

Требуется попадание в камеру только одного мюона за период измерения - 25s

Скорость набора статистики при использовании Kicker увеличилась в три раза

р

Kicker plusmn125 kВ Время переключения 60 нсек

66

Программа физических исследований

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза 1979-1987 (эксперименты в ПИЯФ) 1987- 1996 ( эксперименты в PSI)

Исследование ядерного мюонного захвата легкими ядрами (протон дейтрон Не3 )micro-micro- + + 3He3He rarr rarr 3H +3H +ννmicromicro ( ( 1993 1993 г завершен)г завершен)

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro (1997-2007 анализ завершен в 2012 (1997-2007 анализ завершен в 2012 г )г )

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro ( ведутся измерения)( ведутся измерения)

77

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза

88

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

99

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

1010

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

Rossi 2012 год H2+Ni

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 6: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

66

Программа физических исследований

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза 1979-1987 (эксперименты в ПИЯФ) 1987- 1996 ( эксперименты в PSI)

Исследование ядерного мюонного захвата легкими ядрами (протон дейтрон Не3 )micro-micro- + + 3He3He rarr rarr 3H +3H +ννmicromicro ( ( 1993 1993 г завершен)г завершен)

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro (1997-2007 анализ завершен в 2012 (1997-2007 анализ завершен в 2012 г )г )

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro ( ведутся измерения)( ведутся измерения)

77

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза

88

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

99

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

1010

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

Rossi 2012 год H2+Ni

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 7: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

77

Исследование мюонного катализа ядерного dd- и dt- синтеза

88

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

99

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

1010

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

Rossi 2012 год H2+Ni

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 8: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

88

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

99

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

1010

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

Rossi 2012 год H2+Ni

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 9: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

99

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

1010

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

Rossi 2012 год H2+Ni

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 10: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

1010

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r) Для преодоления Кулоновского барьера нужна энергия ~5кэВ ( 50 млн градусов)

Солнце бомба термоядерные установки

Холодный синтез

Rossi 2012 год H2+Ni

Как преодолеть Кулоновский барьер Как преодолеть Кулоновский барьер

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 11: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

1111

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1948 год АДСахаров Если образуется молекула (ddmicro-)+

аналог (ddе-)+ те (D2)+ то барьер резко снижается и синтез идет со скоростью ~10-10 сек

510-11 см

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 12: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

1212

Мюонный катализ Мюонный катализ dd- dd- и и dt- dt- синтезасинтеза

dd + + dd 3Не + 3Не + nn + 33 МэВ + 33 МэВ tt + + pp + 40 МэВ + 40 МэВ

dd + + tt 4 4HeHe + n + 176 МэВ + n + 176 МэВ

V(r)

1954 год ЯБЗельдович предложил механизм образования (ddmicro-)+

dmicro- + D2 == dmicro- + (dd2e) [( [(ddmicro-)de]++ e 510-11 см

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 13: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

1313

Открытие мюонного катализа ядерного синтеза

1956 год LAlvarez впервые зарегистрировал реакцию pd-синтеза

(d-) + p (pd-)+ 3He + - + 5 МэВ

New York TimesldquoНовый революционный метод получения энергииhelliphelliphelliprdquo

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 14: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

1414

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 15: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

1515

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 16: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

1616

Проблемы на пути практического использования Проблемы на пути практического использования мюонного катализамюонного катализа

Кроме реакции(t-) + d (td-)+ 4He +- + n + 176 МэВ 99идет реакция (t-) + d (td-)+ 4He- + n + 176 МэВ ~1

Для воспроизводства энергии затраченной на получение мюонанеобходимо не менее 2000 циклов катализа

Проблема 1 Измеренная скорость реакции оказалась малой в соответствии с теорией Зельдовича за время жизни мюона (22 микросекунды) он успевает произвести не более одного цикла катализа

Проблема 2Прилипание мюона к ядру гелия

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 17: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

1717

Неожиданное наблюдение Неожиданное наблюдение

1964 год Дубна Группа ВПДжелепова

Скорость ddmicro cинтеза измеренная при температуре 240 К оказалась существенно выше измеренной Альварезом при температуре жидкого водорода

По теории Зельдовича не должно быть заметной зависимости от температуры

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 18: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

1818

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 19: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

1919

Резонансное образование Резонансное образование ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекул молекул

dmicro- + D2 [( [(ddmicro-)de]

1966 годЕАВесман сформулировал гипотезу резонансного образования ddmicro-молекулы в случае если выделение энергии при образованииэтой молекулы меньше 45 эВ (энергия связи D2 молекулы)

Процесс зависит от температуры

Но существует ли такой уровень в ddmicro-молекуле c энергией связи ε(ddmicro) lt 45 эВ

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 20: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

2020

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) lt= -1 (dtmicro) lt= -1 эВэВ

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 21: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

2121

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 22: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

2222

1977 год1977 годГруппа ЛИПономарева (расчет)Группа ЛИПономарева (расчет)

Слабосвязанные состояния Слабосвязанные состояния в в ddmicroddmicro-- и и dtmicro - dtmicro - молекулах молекулах

εε(ddmicro) asymp - 2 (ddmicro) asymp - 2 эВэВεε(dtmicro) asymp -1 (dtmicro) asymp -1 эВэВ

εε(ddmicro) = -1965 (ddmicro) = -1965 эВэВεε(dtmicro) (dtmicro) = -0660= -0660 эВэВ

Современные расчеты

1977 годССГерштейн ЛИПономаревИспользуя модель Весманаописали результат Дубны и предсказали очень высокую скорость dtmicro - катализа

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 23: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

2323

1978 год1978 годМю- катализный бумМю- катализный бум

Эксперименты на всех существующих мюонных каналахЭксперименты на всех существующих мюонных каналах

Дубна Дубна PSIPSI Канада США Япония Канада США Япония

Теоретики со всего мираТеоретики со всего мира

До ста публикаций в годДо ста публикаций в год

Специальный журналСпециальный журнал

КонференцииКонференции

ПИЯФ включился в эту программу в 1979 годуПИЯФ включился в эту программу в 1979 году1979-1987 1979-1987 Разработка экспериментального методаРазработка экспериментального метода и первые исследования и первые исследования ddmicro-ddmicro-синтеза в ПИЯФсинтеза в ПИЯФ1987-1996 Исследование 1987-1996 Исследование ddmicro- ddmicro- и и dtmicro dtmicro-синтеза в -синтеза в PSIPSI

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 24: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

2424

Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать Разработанный в ПИЯФ экспериментальный метод позволяет регистрировать все каналы все каналы ddmicroddmicro -синтеза с высокой абсолютной точностью -синтеза с высокой абсолютной точностью

в диапазоне температур 30К ndash 350Кв диапазоне температур 30К ndash 350К

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 25: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

2525

Гатчинская установка для исследования мюонного катализа dd- и dt- синтеза на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

С помощью этой установки были измерены все основные параметры ddmicro-синтеза

Полученные результаты составляют сегодня основную базу мировых данных по ddmicro-синтезу используемую для сравнения с теорией мю-

катализа

D2 газДавлениедо 80 атм

Т = 30К - 350К

Фиксация температуры plusmn 05К

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 26: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

2626

ddmicro - синтез Сравнение с теориейСравнение с теорией

(d-) + d (dd-)+ 3He +- + n + 33МэВ 3H + - + n + 4 МэВ 3He- + n + 33 МэВ

ε(fit)= - 19651(7) eVε(теория)=-19646(5)еV

ωd(эксп) = 1224(6) ωd(теория) = 123(4)

Линии ndash фит экспериментальных данных

теоретическими распределениями МФайфман

Энергия первого уровня ddmicro - молекулы

Вероятность прилипания мюона к ядру 3Не

Единственное расхождение с теорией вероятность спин-флипа в столкновениях d атомовс D2 молекулой оказалась почти в два раза меньше теоретической

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 27: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

2727

dtmicro - синтез

предельное число циклов катализапредельное число циклов катализа

(t-) + d (td-) 4He +- + n + 176 МэВ 4He- + n + 176 МэВ ωt

Высокая скорость образования td-молекулы За время жизни мюона могло бы быть около 300 циклов катализа

Более сильным оказалось ограничение по прилипанию мюона к 4НеРезультат прямого измерения вероятности прилипания в нашем эксперименте ωt(экспер)= 058(4)Те предельное число циклов td-катализа есть 175

Реально удавалось зарегистрировать около 100 синтезов Дубна PSI LAMPF

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 28: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

2828

В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов В данной схеме предполагается использовать сильноточный ускоритель дейтронов на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия на энергию 16 ГэВ с токами в пучке ~03 А В этом случае тепловая энергия выделяемая за счет деления 238выделяемая за счет деления 238UU в бланкете составит в бланкете составит 2 ГВт а количество 2 ГВт а количество наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС наработанного плутония-239 будет достаточным для питания четырёх АЭС работающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВтработающих на тепловых нейтронах каждая из которых отдает в сеть ~08 ГВт

Схема гибридного мезокаталитического реактора Схема гибридного мезокаталитического реактора ЮВПетроваЮВПетрова

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 29: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

2929

High Precision StudyHigh Precision Study of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases of Muon Catalyzed Fusion in D2 and HD Gases Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414 Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра ОИЯИтом 42361-414

(2011)(2011) DBalinDBalin VGanzhaVGanzha SKozlovSKozlov EMaevEMaev GPetrovGPetrov MSorokaMSoroka GShapkin GSemenchuk GShapkin GSemenchuk

VTrofimov AVasilievVTrofimov AVasiliev А АVorobyov NVoropaev (Vorobyov NVoropaev (ПИЯФПИЯФ) MFaifman () MFaifman (КИ МоскваКИ Москва))

CPetitjean BGartnerCPetitjean BGartner BClaussBClauss JMarton JZmeskal NCaseJMarton JZmeskal NCase KCroweKCrowe

PRammel FHartmann (PRammel FHartmann (PSI WienBerkelyMunichPSI WienBerkelyMunich))

Мюонный катализ реакций ядерного синтезаМюонный катализ реакций ядерного синтеза

ААВоробьевААВоробьев Сообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 годаСообщение на заседании Президиума РАН в марте 2004 года

Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)Вестник РАН том 75 6 512-521 (2005)

Итоговые публикации по мюонному катализу

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 30: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

3030

Эксперимент Эксперимент MuCap MuCap

micro-micro- + р + р rarr rarr n + n +ννmicromicro

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 31: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

3131

Synopsis Sizing Up Quark Interactions

Measurement of Muon Capture on the Proton to 1 Precision and Determination of the Pseudoscalar Coupling gP

V A Andreev et al (MuCap Collaboration)

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

Phys Rev Lett 110 012504 (2013)Published January 3 2013

micro- + р rarr n +νmicro

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 32: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

3232

Even though the radioactive decay of nuclei is mainly driven by the weak force interactions between the quarks that make up the protons and neutrons in the nucleus can also affect the process Calculating these effects with quantum chromodynamics (QCD) the theory describing the strong force interactions between quarks is however mathematically cumbersome at the low energies associated with the nucleus Instead calculations are more tractable using an effective QCD theory in which interactions are between bound quarks (mesons protons and neutrons) Now researchers running the muon capture (MuCap) experiment at the Paul

Scherrer Institute in Switzerland have confirmed a long-standing prediction of the theory known as chiral perturbation theory boosting confidence that it can be used to accurately describe quark interactions in simple nuclei Muon capture is like a beta-decay process run in reverse a muon (a particle with the same charge as an electron but 200 times the mass) interacts with a proton to produce a neutron and a neutrino Among other factors a dimensionless quantity called the ldquopseudoscalar couplingrdquo determines the rate of the reactionChiral perturbation theory says the coupling factor has a value of Gp=826 without a lot of wiggle room But experimental data going back to the 1960s have shown the coupling could be anywhere between 2 and 14 The MuCap collaboration which measures the rate of the muon capture process by stopping a beam of muons in a low-density gas of pure hydrogen has analyzed 30 terabytes of data to extract the pseudoscalar coupling with unprecedented precision The value of their result reported in Physical Review Letters is 806+-055 mdashin excellent agreement with the theoretical prediction ndash Jessica Thomas

PHYSICS spotlighting exceptional research American Physical Society

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 33: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

3333

На уровне кварков слабое взаимодействие универсально

А что происходит со слабым взаимодействием внутри нуклона

micro- + р rarr n +νmicro

n rarr p + e- + anti ve

νmicro + p rarr n +micro

chiral perturbation theory

antiνe + p rarr n +e+

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 34: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

3434

В Стандартной Модели слабое взаимодействие с участием нуклонов описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 35: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

3535

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 36: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

3636

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 37: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

3737

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 38: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

3838

micro νmicro

p n

W qc2 = - 088 mmicro

2

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину gP(qс

2 = - 088mmicro2 )

В Стандартной Модели слабое взаимодействие в нуклонной системе описывается четырьмя формфакторами

Векторный gV(q2)Магнитный gM(q2)Аксиальный gA (q2)Псевдоскалярный gP(q2)

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

Предыдущие измерения gP(qс2 )= от 2 до 14

gP(theory) = 826 plusmn 023

ldquoboosting confidence that the chiral perturbatiion theorycan be used to accurately describe quark interactions in simple nucleirdquo

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 39: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

3939

Из поздравлений внутри MuCap коллаборации Из поздравлений внутри MuCap коллаборации

ldquohelliphellip ldquohelliphellipSSuccess of our experiment is uccess of our experiment is thethe result of result of lucky combination of several unique factorslucky combination of several unique factors

unique experimental method unique experimental method

unique muon channel unique muon channel

unique MuCapunique MuCap collaborationrdquo collaborationrdquo

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 40: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

4040

В списке авторов 13 сотрудников ПИЯФ

Сo-spokespersons Claude Petitjean (PSI) Peter Kammel ( UnivIllinoisUSA) Александр Васильев (ПИЯФ)

26 лет успешного сотрудничества

MuCapMuCap collaboration collaboration

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 41: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

4141

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 42: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

4242

microp-захват дает уникальную возможность измерить величину псевдоскалярного формфактора но для этого пришлось решить целый ряд проблем

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

- - + p + p (micro (micro--p) rarr p) rarr micromicro+ n+ n

Br = 016Br = 016

Эксперимент MuCap

Конкуренция с в 700 раз более Конкуренция с в 700 раз более интенсивным мюонным распадоминтенсивным мюонным распадом

- - e e-- + + micromicro+ + antiantiee

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 43: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

4343

T = 12 s-1

pμuarrdarr

singlet (F=0)

S= 710 s-1

n+

triplet(F=1)

μ

pμuarruarr

ppμ

para (J=0)ortho (J=1)

λop

ortho=506 s-1 para=200 s-1

ppμ ppμ ppμ

λ pp

Из какого состояния происходит мю-захват

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 44: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

4444

Pmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) populationPmicro - PPmicro(ortho) - PPmicro(para) population

ppP

ppO

p

100 LH2

p

ppP

ppO

1 LH2

time (s)

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 45: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

4545

Теория предсказывает gP с ошибкой = 3

045 вклад в погрешность измерения S

Examples

10 61

Точность измерения скорости мю-захвата

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 46: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

4646

метод измерения скорости мю-захватаметод измерения скорости мю-захвата

YearYear ExptlplaceExptlplace HH22 target target ΛΛCC s s-1-1 MethodMethod

1962 1962 ))

19621962

19621962

19631963

19691969

19741974

19811981

ChicagoChicago

ColumbiaColumbia

CERNCERN

ColumbiaColumbia

CERNCERN

DubnaDubna

SaclaySaclay

liquid liquid

liquidliquid

liquid liquid

liquid liquid

gas 8 atmgas 8 atm

gas 41 atmgas 41 atm liquidliquid

428 plusmn 85428 plusmn 85

515 plusmn 85515 plusmn 85

450 plusmn 50450 plusmn 50

464 plusmn 42464 plusmn 42

651 plusmn 57 651 plusmn 57

686 plusmn 88686 plusmn 88

neutron detectionneutron detection

- ndash - ndash

- ndash - ndash

- ndash- ndash

- ndash- ndash

- -- -

Life time Life time measurement measurement

- + p micro+ n

Br = 016

) First direct observation of microp-capture

Детектирование нейтрона Измерение времени жизни мюона

ΛC = 1τmicro+ - 1τmicro- ΛC NnNmicro

microplusmnp rarr eplusmn νe νmicro

CPT inv

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 47: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

4747

20 40 60 80 100 120

25

5

75

10

125

15

175

20

ChPT

OP (ms-1)

gP

- + p + n + TRIUMF 1996

theory

- + p + n Saclay 1981 Saclay 1981

exp TRIUMF 2006 exp

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 48: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

4848

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 49: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

4949

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 50: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

5050

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 51: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

5151

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 52: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

5252

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 53: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

5353

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 54: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

5454

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

bull H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

bull Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

bull Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

bull Низкий уровень фона lt 10-4

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 55: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

5555

Стратегия эксперимента Стратегия эксперимента MuCap MuCap

H2 газовая мишень 10 atm

(micro-p)1S

Имеряется время жизни мюона ΛS = 1τmicro+ - 1τmicro-

10-5 точность для micro- and для micro+ rarr δΛSΛS = 1

gt1010 распадов мюона Высокая скорость набора

Ультра чистый протий примесь Zgt1 меньше 10 ppb (1 ppb = 10-9) примесь дейтерия меньше 100 ppb

Надежное выделение точки остановки мюонаНет стеночных эффектов

Низкий уровень фона lt 10-4

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 56: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

5656

helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip

E

40kV

micro

G 5kVG

Cathode stripsAnode wires

e ePC1

ePC2

eSC hodoscope

microSC

Водородная время-проекционная камера TPC

tmicro = t eSC ndash t microSC

microPC

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 57: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

5757

e

t

MuCap TechniqueMuCap Technique

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 58: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

5858

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 59: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

5959

Система циркуляционной очисткиСистема циркуляционной очистки

(Z-1) +

Обеспечена требуемая чистота Н2

Все Zgt1 примеси менее 10 -8

Степень чистоты контролирует сама TPC

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 60: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

6060

Изотопная очистка Изотопная очистка

LNT

MFC1V1

V3

V2

MFC2

PT1

DPT1

DPT2

4

1

3

9

11

14

13

6

2

8

5

7

10

12

11

d

11

d

Требования к изотопной чистотепримесь протия ndash не более 100 ppb

В эксперименте MuCap получен САМЫЙ изотопно

чистый в мире водородlt 6 ppb

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 61: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

6161

micro eУровень фона

impact cut can reduce the background to a level of 10-4-10-5

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 62: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

6262

Интенсивность мюонного канала Интенсивность мюонного канала ~ 70 kHz ~ 70 kHz мюоновмюонов

MuCap MuCap мог использовать мог использовать ~ 7kHz ( ~ 7kHz ( pile up) pile up)

Новая системаНовая система ( (Muon-on-demandMuon-on-demand)) сооруженная в сооруженная в 2005 2005 году году

позволила увеличить интенсивность полезного пучка до позволила увеличить интенсивность полезного пучка до 20 kHz 20 kHz

-

+125 kV -125 kV

Kicker Plates

50 ns switching time

detector

TPC ~3 times higher rate

Скорость набора статистикиСкорость набора статистики

Muon-on demand system

run2006

Интенсивность пучка на входе TPC 20 кНz Набор отобранных событий 4kHzСтатистика отобранных событий 33 middot 108 day 1010 событий за 30 рабочих дней

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 63: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

6363

Статистика отобранных событий

20042004 20052005 20062006 20072007 totaltotal

micro-micro- 16 x 1016 x 1099 35 x 1035 x 1099 8 x 108 x 1099 62 x 1062 x 1099 2 x 102 x 101010

micro+micro+ 05 x 1005 x 1099 14 x 1014 x 1099 4 x 104 x 1099 4 x 104 x 1099 55 x 1055 x 1099

В 2007 году были опубликованы результаты анализа данных 2004 года PRL 99032002(2007)

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 64: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

6464

Определение скоростиОпределение скорости SS

64

MuCapPRL 2007

MuLan 1ppm

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 65: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

6565

Capture RateCapture Rate

ΛΛSS (MuCap) = 7149 plusmn 54 (MuCap) = 7149 plusmn 54statstat plusmn 51 plusmn 51systsyst s s-1-1

ΛΛSS (theory) = 7127 plusmn 30 (theory) = 7127 plusmn 30gAgA plusmn 30 plusmn 30RCRC s s-1-1

ggPP(theory) = 826 plusmn023(theory) = 826 plusmn023

Pseudoscalar CouplingPseudoscalar Coupling

ggPP(MuCap) = 806 plusmn 048(MuCap) = 806 plusmn 048(ex) (ex) plusmn 028plusmn 028(th(th))

for gfor gAA(0) (0) -1275 g-1275 gPP(MuCap)(MuCap) 834 834

Окончательный результатОкончательный результат

65

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 66: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

6666

66gP(theory) = 826 plusmn 023

gP(MuCap) = 806 plusmn 055

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 67: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

6767

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSun

micro-micro- + + dd rarrrarr n+ n+ n +n +ννmicromicro

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 68: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

6868

+ d + d n + n + n + n +

model-independent connection via EFT amp Lmodel-independent connection via EFT amp L1A1A

Измерение скорости microd захвата с точностью 1

Основная реакция на Основная реакция на

СолнцеСолнце

p + p p + p d + e d + e++ + + Детекторы нейтриноДетекторы нейтрино SNO SNO

+ d + d p + p + e p + p + e--

+ d + d p + n + p + n +

MEC

EFT

L1A

Мотивация эксперимента MuSun

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 69: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

6969

Ранее мы уже измерили скорость мюонного Ранее мы уже измерили скорость мюонного захвата ядром захвата ядром He-3 He-3

micro- + 3He rarr 3H + νmicro Λstat = 1496 plusmn 4 s-1

Physics Letters B417224 1998)

The world precision was improved by a factor of 50

С завершением эксперимента MuSun будет получен полный набор прецизионных данных о мюонном захвате в двух- и трех- нуклонных системах

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 70: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

7070

Cryo_TPCCryo_TPC

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 71: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

717171

Electron Tracker

CryoTPC

TPC DigitizerElectronics

Impurity filtering

Liquid NeCirculation

Пробный сеанс в 2011 году

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 72: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

7272

Эксперимент Эксперимент MuSunMuSunСтатус и планыСтатус и планы

ndashВ 2011 году проведен пробный измерительный В 2011 году проведен пробный измерительный сеанс сеанс

ndashВ 2012 году осуществлен запуск нового мюонного В 2012 году осуществлен запуск нового мюонного каналаканала

ccооруженного специально для эксперимента ооруженного специально для эксперимента MuSunMuSun

ndashВ 2013 году намечен трех-месячный измерительный В 2013 году намечен трех-месячный измерительный сеанссеанс

72

7373

Спасибо за внимание

Page 73: Исследования на мюонном канале Швейцарской мезонной фабрики

7373

Спасибо за внимание