Моделирование экспериментов с ультрахолодными нейтронами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Фомин, Алексей Константинович

• Фомин, Алексей Константинович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Фомин, Алексей Константинович

Введение.;.

Глава 1. Пакет программ для моделирования экспериментов с

Глава 2. Моделирование эксперимента по измерению времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой и с покрытием из низкотемпературного фомблина.

2.1. Введение.

2.2. Экспериментальная установка для измерения времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой УХН.

2.3. Методы экстраполяции к времени жизни нейтрона.

2.4. Вычисление эффективной частоты соударений.

2.5. Монте-Карло моделирование эксперимента.

Глава 3. Моделирование мультикамерного ЭДМ спектрометра.

3.1. Введение.

3.2. Обзор измерений ЭДМ нейтрона.

3.3. Предложенная схема эксперимента и ее преимущества.

3.4. Компенсация флуктуаций магнитного поля мультикамерным

ЭДМ спектрометром.

3.5. Математическая модель мультикамерного ЭДМ спектрометра.

3.6. Схема обработки данных в мультикамерном ЭДМ спектрометре.

3.7. Симуляция измерений ЭДМ нейтрона на математической модели в условиях нестабильности магнитного поля с неоднородными флуктуациями.

3.8. Сигнал от ЭДМ нейтрона в мультикамерном спектрометре. Подавление возможных фальшь эффектов, вызванных токами утечки.

3.9. Рассмотрение других систематических эффектов.

3.10. Поляризация УХН в схеме мультикамерного ЭДМ спектрометра. Тестовые эксперименты.

3.11. Детектор УХН с анализом поляризации.

3.12. Статистическая точность измерений мультикамерным ЭДМ спектрометром.

3.13. Сравнение чувствительности существующих экспериментов с проектной чувствительностью предложенного эксперимента.

3.14. Сравнение чувствительности существующих ЭДМ спектрометров с чувствительностью предложенного ЭДМ спектрометра в условиях одинаковой плотности УХН.

3.15. Модель мультикамерного ЭДМ спектрометра (мини ЭДМ спектрометр).

3.16. План реализации нового ЭДМ эксперимента.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование экспериментов с ультрахолодными нейтронами»

Ультрахолодные нейтроны (УХН) - нейтроны с энергией ~ 10"7 эВ. Замечательным свойством УХН является способность испытывать полное отражение от поверхности многих веществ [1-3]. Благодаря своим особенностям УХН используются для решения многих фундаментальных проблем физики элементарных частиц.

Постановка новых прецизионных экспериментов с ультрахолодными нейтронами в области фундаментальных исследований требует создания математических моделей этих экспериментов и проведения соответствующих расчетов на высоком уровне точности. Существуют модификации программ MORSE и GEANT4, в которых включено воздействие гравитации на траектории нейтронов при их движении. Плюсом этих программ является возможность быстрого задания геометрии объемов, в которых происходит хранение нейтронов и, соответственно, быстрая подготовка программы к запуску на счет. Однако их минусом является довольно длительное время счета. Из-за этого становится невозможным моделирование некоторых прецизионных экспериментов, когда используются вычислительные кластеры и время счета становится слишком большим.

Целью данной работы явилось:

1. Разработка пакета программ для моделирования экспериментов с УХН, который позволит ускорить время выполнения ресурсоемких расчетов в несколько раз.

2. Моделирование эксперимента по измерению времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой. Оценка уровня систематических ошибок с точностью 0.2-Ю.З с.

3. Моделирование эксперимента по поиску электрического дипольного момента нейтрона при помощи нового мультикамерного ЭДМ спектрометра ПИЯФ. Оценка уровня возможных систематических ошибок с точностью ~2-10'28 е-см.

В первой главе диссертации описываются возможности разработанного пакета и приводятся результаты его тестирования. Тестирование проводилось путем сравнения результатов расчета с расчетом при помощи модификации программы GEANT4 [4]. Было выполнено два теста: прохождение нейтронов через нейтроноводную систему и хранение в объеме. Оба расчета показали хорошее согласие. Во второй и третьей главах диссертации описывается моделирование с помощью разработанного пакета двух экспериментов: уже выполненного и планируемого.

Во второй главе диссертации говорится о моделировании эксперимента по измерению времени жизни нейтрона с гравитационной ловушкой [5-7], который является на данный момент наиболее точным. В главе описываются экспериментальная установка, методика измерения и моделирование эксперимента.

В третьей главе диссертации говорится о моделировании эксперимента по поиску электрического дипольного момента нейтрона при помощи нового мультикамерного ЭДМ спектрометра [8-15]. В главе описываются предложенная схема и ее преимущества, методика измерения, сравнение с другими экспериментами и моделирование эксперимента.

Оба эксперимента имеют принципиальное значение для физики элементарных частиц и космологии. Они ориентированы на то, чтобы ответить на вопросы о возможности существования новых суперчастиц и процессах определивших возникновение Вселенной. В значительной степени данные исследования затрагивают те же вопросы, которые физики решают в дорогостоящих экспериментах на современных коллайдерах. В данном случае возможность получать ответы на столь принципиальные вопросы возникает благодаря прецизионной точности проводимых измерений.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Фомин, Алексей Константинович

Основные результаты работы докладывались автором на семинарах в PSI (Виллиген, Швейцария, 2001), на международной конференции "Прецизионные измерения с медленными нейтронами" (Гайдельберг, США, 2004) и на 5 международной конференции "Ультрахолодные и холодные нейтроны: физика и источники" (Петергоф, Россия, 2005).

Включенные в диссертацию материалы опубликованы в 12 печатных работах [4-15].

В дальнейшем планируется использование разработанного пакета для моделирования других экспериментов. В заключение хочу выразить свою признательность моему научному руководителю А.П. Сереброву.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Фомин, Алексей Константинович, 2006 год

1. Зельдович Б.Я., Хранение холодных нейтронов // ЖЭТФ, 1959, т.36, с.1952-1953.

2. V.I. Lushikov, Yu.N. Pokotilovski, A.V. Strelkov, F.L. Shapiro, JETP Letters 9, 23 (1969).

3. L.V. Groshev, N.V. Dvoretsky, A.M. Demidov, Yu.N. Panin et al., Phys. Lett. В 34, 293 (1971).

4. F. Atchison, T. Brys, M. Daum, P. Fierlinger, A. Fomin, R. Henneck, K. Kirch, M. Kuzniak, A. Pichlmaier, The simulation of ultracold neutron experiments using GEANT4 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 552 (2005)513-521.

5. M. Daum, A. Fomin, R. Henneck, K. Kirch, A. Murashkin, I. Potapov, A. Serebrov, Mathematical model of the neutron EDM experiment // Paul Scherrer Institut Scientific Report 2001, p. 32.

6. E. Aleksandrov, M. Balabas, G. Ban, G. Bison, K. Bodek, Yu. Borisov, T. Brys, M. Daum, S. Dimitriev, N. Dovator, P. Fierlinger, X. Flechard, A. Fomin, P. Geltenbort, St. Groger, R. Henneck, A. Ivanov, V. Kartoshkin, M. Karuzin,

7. A. Serebrov, M. Lasakov, A. Fomin, P. Geltenbort, A. Murashkin, I. Krasnoschekova, Yu. Rudnev, A. Vasiliev, Superconducting UCN Polarizer for a New EDM Spectrometer// Preprint PNPI-2570, Gatchina (2004) p.8.

8. А.П. Серебров, Измерение времени жизни нейтрона с использованием гравитационных ловушек ультрахолодных нейтронов // УФН, том 175, №9, 2005, 905-924.

9. Particle Data Group, S. Eidelman, et al., Phys. Lett. В 592 (2004) 1.

10. H. Abele, M. Astruc, S. Baesler, D. Dubbers, F. Glück, U. Müller, V. Nesviz-hevsky, J. Reich, O. Zimmer, Is the Unitarity of the Quark-Mixing CKM Matrix Violated in Neutron ß-Decay? // Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 211801, 4 p.

11. V.K. Ignatovich, The Physics of Ultracold Neutrons, in: Oxford Series on Neutron Scattering in Condensed Matter, Clarendon Press, Oxford, 1990.

12. R. Golub, D.J.Richardson, S.K. Lamoreaux, Ultra-cold Neutrons, Adam Hilger, Bristol, Philadelphia, New York, 1991.

13. Pokotilovski Yu.N., Investigation of Liquid Fluoropolymers as Possible Materials for Low-Temperature Liquid Wall Chambers for Ultracold-Neutron Storage IIЖЭТФ, 2003, 123, 203-210.

14. Purcell E.M., Ramsey N.F., On the possibility of electric dipole moments for elementary particles and nuclei // Phys. Rev., 1950, v.78, p.807.

15. Lee T.D., Yang C.N., Question of parity conservation in weak interactions // Phys. Rev., 1956, v. 104, p.254-258.

16. Wu C.S., Ambler E., Hayward R.W., Hoppes D.D., Hudson R.P., Experimental test of parity conservation in beta decay // Phys. Rev., 1957, v.105, p.1413-1415.

17. Christenson J.H., Cronin J.W., Fitch V.L., Turlay L., Evidence for the 2n decay of the /<2 meson II Phys. Rev. Lett., 1964, v.13, p.138-140.

18. Barr S.M., A review of CP violation in atoms // Int. Journal of Mod. Phys. A, 1993, v.8, No.2, p.209-236.

19. Бигги И., Уральцев Н.Г., Эффективные глюонные оперторы и дипольный момент нейтрона //ЖЭТФ, 1992, т. 100, с.363-385.

20. Smith J.H., Purcell Е.М., Ramsey N.F., Experimental limit to the electric dipole moment of the neutron//Phys. Rev., 1957, v.108, p.120-122.

21. Dress W.B., Miller P.D., Pendlebury J.M., Perrin P., Ramsey N.F., Search for an electric dipole moment of the neutron // Phys. Rev., 1977, v.D15, p.9-20.

22. Shull C, Nathans R., Search for a neutron electric dipole moment by a scattering experiment// Phys. Rev. Lett., 1967, v. 19, p.384-386.

23. Шапиро Ф.Л., Электрические дипольные моменты элементарных частиц // УФН, 1968, т.95, с.145-158.

24. Алтарев И.С., Борисов Ю.В., Боровикова Н.В. и др. // ЯФ, 1996, т.59, №7, с.1204. Phys. of At. Nucl., v.59, No.7, p. 1152.

25. A.I. Egorov, etal., Yad. Fiz. 19 (1974) 300 (Sov. J. Nucl. Phys. 19, 147).

26. Ю.Ю. Косвинцев, Ю.А. Кушнир, В.И. Морозов, Хранение ультрахолодных нейтронов в сосуде с магнитной "стенкой" // Письма в ЖЭТФ, 23 (2) (1976) 135-138.

27. A. Serebrov, A. Vasiliev, М. Lasakov, Yu. Rudnev, I. Krasnoshekova, P. Geltenbort, J. Butterworth, T. Bowles, C. Morris, S. Seestrom, D. Smith, A.R. Young, Depolarization of UCN stored in material traps // Nucl. Instr. and Meth. A 440 (2000)717-721.

28. A. Steyerl, H. Nagel, F.-X. Schreiber, K.-A. Steinhauser, R. Gähler, W. Gläser, P. Ageron, J.M. Astruc, W. Drexel, G. Gervais, W. Mampe, A new source of cold and ultracold neutrons // Phys. Lett. A 116 (1986) 347-352.

29. А. Серебров, Multichamber EDM Spectrometer. Status 2005 // 5я международная конференция "Ультрахолодные и холодные нейтроны: физика и источники" (Петергоф, Россия, 2005) http://cns.pnpi.spb.ru/ucn/articles/serebrov.pdf