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新的台式探测器可识别单电子

时间:2021-10-09 12:58:01来源:

对“零事件”的三维解释。随着电子失去能量,频率缓慢增加,在电子从陷阱中弹出之前,在六个或可能七个可见频率跃变中的第一个跃变结束。

新型台式粒子探测器能够识别放射性气体中的单电子,这是朝着测量中微子质量迈出的一大步。

随着气体的衰减并释放出电子,检测器使用磁铁将其捕获在磁性瓶中。然后,无线电天线会拾取电子发出的非常微弱的信号,这些信号可用于在几毫秒内绘制电子的精确活动图。

该小组与太平洋西北国家实验室,华盛顿大学,加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)以及其他地方的研究人员合作,记录了gas气中100,000个以上的单个电子的活度。

观察到的大多数电子表现为特征模式:随着放射性k气的衰变,它发出的电子以基线频率振动,然后逐渐消失。每当电子撞击放射性气体原子时,该频率就会再次达到峰值。当电子对着探测器中的多个原子进行乒乓球运动时,其能量似乎呈阶梯状跳跃。

麻省理工学院物理学副教授乔·福马焦(Joe Formaggio)说:“我们实际上可以对电子的频率进行成像,然后看到该电子突然进入我们的无线电天线。”“随着时间的流逝,频率会发生变化,并且实际上会逐渐增大。因此,这些电子在无线电波中发出chi声。”

福马焦说,该小组的结果发表在《物理评论快报》上,是朝着更难以实现的目标迈进了一大步:测量中微子的质量。

幽灵般的粒子

中微子是宇宙中更神秘的基本粒子之一:每秒有数十亿个粒子通过我们身体的每个细胞,但是这些幽灵般的粒子很难被发现,因为它们似乎并不与普通物质相互作用。科学家已经为中微子质量设定了理论极限,但研究人员尚未精确检测到它。

“我们(质量)已经陷入困境,但是还没有测量出来,”福马焦说。“游戏的名称是测量电子的能量-这是告诉您有关中微子的签名。”

正如福马焦解释的那样,当tri等放射性原子衰变时,它变成氦的同位素,并且在此过程中还释放出电子和中微子。释放的所有粒子的能量加起来就是母体中子的原始能量。因此,测量电子的能量可以照亮中微子的能量,进而照亮质量。

科学家们同意,,是氢的放射性同位素,是获得精确测量值的关键:作为一种气体,tri的腐烂速度使得科学家可以相对容易地观察到其电子副产物。

德国卡尔斯鲁厄的研究人员希望使用大型光谱仪测量tri中的电子,作为名为KATRIN(卡尔斯鲁厄Tri中微子实验)的实验的一部分。由the的衰变产生的电子通过光谱仪,该光谱仪根据其不同的能级对它们进行过滤。正在进行的实验可能获得单个电子的测量值,但要付出一定的代价。

“在KATRIN中,电子是在硅检测器中检测到的,这意味着电子会粉碎到晶体中,并且会发生许多随机事件,从本质上破坏了电子,”物理学研究生Daniel Furse说。作者在纸上。“我们仍然想测量电子的能量,但是我们以一种非破坏性的方式来进行测量。”

小组的设置还有一个额外的优势:规模。该检测器基本上可放在桌面上,并且检测电子的空间小于邮票。相比之下,KATRIN的光谱仪在交付给卡尔斯鲁厄后,几乎无法穿过城市的街道。

调入

Furse和Formaggio的探测器(一项称为“ Project 8”的实验)基于数十年来被称为回旋加速器辐射的现象,其中带电粒子(如电子)在磁场中发射无线电波。事实证明,电子以类似于军事无线电通信的频率发射这种辐射。

福马焦说:“这与军方使用的频率相同-26 GHz。”“事实证明,如果电子有能量,则基线频率会非常微小地变化。所以我们说,“为什么不看[电子]直接发射的辐射呢?”

Formaggio和现任UCSB物理学助理教授,前博士后本杰明·蒙瑞尔(Benjamin Monreal)认为,如果它们能够调谐到该基线频率,则它们可以在从衰变的放射性气体中射出时捕获电子,并在磁场中测量其能量。

“如果您可以测量该无线电信号的频率,则可以比使用任何其他方法更准确地测量能量,” Furse说。“问题是,您在很短的时间内就看到了这种非常微弱的信号,很难看到,这就是为什么以前没有人这样做过的原因。”

经过五年的努力,该小组终于能够制造出准确的探测器。一旦研究人员打开了检测器,他们就可以在实验的前100毫秒内记录单个电子,尽管分析花费了更长的时间。

“我们的软件处理事情的速度很慢,我们可以说出有趣的事情正在发生,因为突然之间,随着这些事情开始出现,我们的文件大小变大了,” Formaggio回忆道。

他说,迄今为止在k气中获得的测量结果的准确性促使该团队转向使用tri气。Formaggio说,这一目标可能在未来一两年内实现,并为测量中微子的质量铺平了道路。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的技术人员史蒂芬·埃利奥特(Steven Elliott)说,该小组的新型探测器“代表了非常重要的结果。”为了使用检测器测量中微子的质量,埃利奥特补充说,该小组将不得不进行多项改进,包括开发一个更大的电池以容纳更多的tri。

“这是迈出下一代实验的第一步,尽管是非常重要的一步,”对这项研究没有贡献的埃利奥特说。“结果,中微子社区对该实验的概念和执行过程印象深刻。”

这项研究部分由能源部和国家科学基金会资助。

出版物:D.M.阿斯纳等。(项目8合作),“相对论回旋加速器辐射的单电子检测和光谱”,物理。莱特牧师114、162501 – 2015年4月20日发布;土井:10.1103 / PhysRevLett.114.162501

研究报告的PDF副本:相对论回旋加速器辐射的单电子检测和光谱

图像:由研究人员礼貌

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