Upload
chadwick-salazar
View
60
Download
5
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
7373
Спасибо за внимание