ИЯИ РАН - Эксперимент МАДИС
(МезоАтомный ДИфракционный Спектрометр)

Эксперимент МАДИС проводится в рамках Договора о сотрудничестве между ИЯИ РАН и ПИЯФ РАН от 1 августа 1994 года.

рисунки и схемы в формате JPEG

Целью эксперимента МАДИС является изучение характеристик рентгеновского излучения мезонных атомов в широком диапазоне зарядового числа ядер Z=1-50 с помощью дифракционного спектрометра с двумя плоскими кристаллами. На первом этапе планируется прецизионное измерение дифракционного профиля мезорентгеновского (4f-3d)-пepexoдa в пионном атоме углерода-12 с целью однозначного определения массы отрицательного пиона. Ранее при обработке наиболее точных экспериментальных данных (2,6 ppm), полученных на Швейцарской мезонной фабрике PSI, были найдены два решения для массы, отличающихся на 15 ppm.

Высокое разрешение двухкристального спектрометра (ожидаемое разрешение не хуже 0,1 эВ при измеряемой энергии 6,4 кэВ) позволяет измерить отдельные компоненты мезоатомного перехода, обусловленные наличием 2,1 или 0 электронов на К-орбите. Неопределенность электронного экранирования вносит основную погрешность в определение массы пиона на основе измерения спектров рентгеновского излучения мезоатомов.

Важной особенностью выбранного измерения (4f-3d)-перехода в пионном углероде-12 является отчетливое различие энергетических расстояний между компонентами излучения для случаев (1 Ке, 0 Ке), где DE=0,18 эВ, и (2 Ке, 1 Ке), где DE=0,13 эВ. Это обстоятельство будет служить критерием для идентификации заселенности электронной Ке-оболочки. В эксперименте будут измеряться два перехода: (4f-Зd)-переход во втором порядке дифракции и (3d-2p)-переход в пятом порядке. Переход (3d-2p), энергия которого известна с точностью 5,4 ppm, будет использоваться в качестве калибровочной линии. Это позволит определить массу отрицательного пиона с точностью не хуже 6 ppm и, не привлекая никаких дополнительных предположений, сделать однозначный выбор между двумя ранее полученными значениями массы, отличающимися на 15 ppm.

Дальнейшее развитие эксперимента по измерению массы отрицательного пиона будет связано с повышением точности измерений рентгеновских спектров мезоатомов на основе использования для калибровки спектрометра эталонных рентгеновских линий радиоактивных источников, энергия излучения которых известна с высокой точностью. Решение проблемы повышения точности измерения массы отрицательного пиона ведет к снижению предела на массу мюонного нейтрино.

Поскольку при энергиях до 100 кэВ дифракционные спектрометры позволяют проводить измерения профилей рентгеновских спектральных линий с относительной точностью в 3-5 раз лучшей и энергетическим разрешением на несколько порядков более высоким, чем любые другие приборы (относительное энергетическое разрешение в диапазоне энергий (3-100) кэВ до 10^-5), то в рамках сотрудничества ИЯИ РАН-ПИЯФ РАН предусматривается широкая программа по исследованию мезоатомов с помощью двухкристального дифракционного спектрометра. Кроме измерения массы отрицательного пиона, в программе содержится:

• новое, более точное измерение сдвигов и ширин 1s-уровня в пионных атомах водорода и дейтерия, через которые выражаются длины пион-нуклонного рассеяния;
• проведение пионерских экспериментальных исследований сверхтонкого расщепления 2р-уровня пионных атомов под влиянием спин-зависящего пион-нуклонного взаимодействия;
• выполнение ранее недоступных измерений электрического квадрупольного момента некоторых ядер.

Установка МАДИС должна быть размещена на протонном пучке в зале экспериментального комплекса ММФ. Пионы рождаются на вольфрамовой мишени, и помещаемой в газообразную криогенную мишень. Замедленные ("остановившиеся") пионы захватываются атомами газа в криогенной мишени, либо атомами вещества специальной атомообразующей мишени. Мезорентгеновское излучение проходит сквозь многощелевой коллиматор, дифрагирует на кристаллах спектрометра и регистрируется детектором. Спектрометр и детектор окружены защитой из чугуна и тяжелого бетона.

Для регистрации дифрагированного излучения планируется использовать детектор, состоящий из 36-ти идентичных пропорциональных камер цилиндрической формы диаметром -12 мм, длиной ~130 мм. Стенки камер выполнены из бериллиевой фольги толщиной 40 мкм, рабочий газ - ксенон. Камеры устанавливаются в каркасе из полиэтилена горизонтально, образуя 6 вертикальных рядов по 6 штук в каждом. При энергии излучения Е_x~18 кэВ суммируются сигналы от всех камер. Малое количество материала камер и использование в конструкции легких элементов (Н, Be, С), а также применение схемы антисовпадений позволяет надеяться на приемлемый уровень фона.

Планируется разработать и изготовить детектирующий комплекс для регистрации низкоэнергетических рентгеновских квантов в диапазоне энергии от 3 до 20 кэВ, включающий 40 электронных каналов.