Поиск нарушений Т-инвариантности в реакциях 113 Cd(n,y)114Cd и 117 Sn(n,y)118Sn с неполяризованными нейтронами вблизи Р-волновых резонансов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

1 h МАЙ 1935

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3-95-71

На правах рукописи УДК 539.172.4

ской

Вадим Рудольфович

ПОИСК НАРУШЕНИЯ Г-ИНВАРИАНТНОСТИ В РЕАКЦИЯХ 113Сс1(п,у)114С(1 И Ш8п(/г, у)1188п С НЕПОЛЯРИЗОВАННЫМИ НЕЙТРОНАМИ ВБЛИЗИ Р-ВОЛНОВЫХ РЕЗОНАНСОВ

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1995

Работа выполнена в Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франк: Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна.

Научный руководитель -доктор физико - математических наук

ведущий научный сотрудник Э.И. Шарапо]

Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук

ведущий научный сотрудник, профессор В.Е. Буйаког

доктор физико - математических наук

ведущий научный сотрудник, профессор В.Г. Калиннико

Ведущее предприятие: Институт общей и ядерной физик Российского научного центра Курчатовский институт

Защита диссертации состоится " -/¡^ " 1995 г. в " 9 " ча

на заседании специализированного совета Д 047.01.05 при Лаборатори нейтронной физики и Лаборатории ядерных реакций Объедйненно1 института ядерных исследований, Дубна Московской обл.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ

Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета

А.Г. Попек

Общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящее время обсуждается и проводится подготовка к различным типам экспериментов по обнаружению временной неинвариантности в ядерных реакциях нейтронов с ядрами. Большой интерес к этой проблеме связан с экспериментальным обнаружением усиления Р - нечетных эффектов вблизи р - волновых нейтронных резонансов, достигающих 10 %, и ожидаемым усилением Т - нечетных эффектов. В большинстве экспериментов предполагается изучать взаимодействие поляризованных нейтронов с поляризованными или выстроенными ядрами. Но для постановки такого рода экспериментов нужно решить целый ряд технических проблем, связанных с наличием ложных эффектов и созданием качественных поляризованных и ориентированных мишеней. Однако в последние годы было показано, что Т - нечетная Р -четная корреляция стл[7 х ¿л](/ • ¿„) может быть обусловлена отличием в присутствии Т - нечетных сил амплитуды упругого рассеяния нейтрона из состояния Р1/2 в состояние рз/2 от амплитуды обратного процесса. Это отличие приводит также к появлению мнимых частей у амплитуд нейтронных и радиационных ширин. Последнее обстоятельство может быть проверено в экспериментах по изучению угловых корреляций у - квантов в резонансных (п,у) реакциях. Данная диссертация посвящена именно этой цели: экспериментальному обоснованию метода измерения Т неинвариантности в реакциях с неполяризованными нейтронами. К настоящему времени в работе получены первые результаты - оценки на величину отношения Т - неинвариантного взаимодействия к расстоянию между соседними р - волновыми резонансами - для реакций 113СеДп,у) и4Сс/ и 1175!п(п,у) 118Л}. Достигнутая точность не позволяет сделать заключение о наличии Т - нечетного взаимодействия, но полученная информация

позволяет надеяться на достижение лучшей точности при дальнейшем развитии методики.

ЦЕЛЬЮ ДАННОЙ РАБОТЫ ЯВЛЯЕТСЯ:

1. Исследование возможности получения информации от Т - нечетном, Р -четном взаимодействии в резонансных (п,у) реакциях.

2. Измерение и анализ экспериментальных данных по угловым корреляциям в шСУ(л,у)114СУ и П7£я(л,у)ш.£л реакциях с неполяризованными нейтронами для извлечения энергетического сдвига, связанного с Т - нечетным взаимодействием.

3. Оценка перспектив использованной экспериментальной методики для изучения нарушения Т - инвариантности.

Для получения информации о Т - нечетном, Р - четном взаимодействии в данной диссертации применялась методика изучения угловых корреляций в резонансных (п,у) реакциях, которая была реализована в Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ. Первоначально она была создана для изучения угловые корреляции в резонансных реакциях с целью извлечения амплитуд нейтронных ширин. Подробное описание методики приведено в обзоре [4].

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ:

В настоящей работе впервые проведено исследование нарушения Т -инвариантности в резонансных шСИ(л,у)114Сс/ и 1176л(л,у)118£л реакциях. Полученная экспериментальная информация дает оценку на величину отношения матричных элементов Т - нечетного Р - четного и Т - четного Р -нечетного взаимодействий, а также стимулирует дальнейшие исследования

в этой области в рамках методики изучения угловых корреляций в (п,у) реакциях. Кроме того, измерена энергетическая зависимость и величины полного сечения, сечения рассеяния и радиационного захвата нейтрона, интенсивности прямых и вторичных у - переходов при захвате тепловых нейтронов изотопом 117£п. Эта спектроскопическая информация имеет самостоятельную ценность для других исследований.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Обоснована экспериментальная возможность изучения Т неинвариантного взаимодействия при измерении асимметрии выхода у -квантов вперед - назад в резонансных (п,у) реакциях с неполяризованными нейтронами и ядрами.

2. Выполнены эксперименты по измерению асимметрии выхода у - квантов вперед - назад в р - резонансах шСфз,у)1ИСс/ и 111 Sп(n,y)nяSл реакций с неполяризованными нейтронами и ядрами.

3. С помощью методики изучения угловых корреляций в реакциях шСс^п,у)1мСс! и И75'п(л,у)1185л получены верхние пределы на величину Р = утр ¡И , где Ир расстояние между соседними р - резонансами и утр -

матричный элемент Т - неинвариантного взаимодействия.

4. Количественно проанализированы источники возможных систематических ошибок и показано, что они не влияют существенно на результаты измерений.

5. Проанализированы перспективы дальнейшего развития методики с целью увеличения точности результатов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы положенные в основу диссертации докладывались на конференции Американского института физики по спектроскопии у - квантов ( Пасифик Гроув, Калифорния, США,

1990), на 2-м международном рабочем совещании по временной инвариантности и нарушению пространственной четности в нейтронных реакциях (Дубна, 1993 г.) и на 8-м международном симпозиуме по спектроскопии у - квантов (Фрибург, Швейцария, 1993).

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения и шести глав. Объем работы - 100 страниц машинописного текста, 13 таблиц и 29 рисунков. Список литературы включает 57 наименований.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Содержание работы

Во введении кратко описаны основы экспериментальных методов поиска нарушения Т - инвариантности и измеряемые величины. Кратко изложено содержание диссертации и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится описание некоторых перспективных типов существующих и предлагаемых экспериментальных методик по обнаружению нарушения временной обратимости в реакциях поляризованных нейтронов с поляризованными и ориентированными ядрами. Приведены полученные к настоящему времени экспериментальные результаты.

Во второй главе описан механизм динамического усиления в Р -

нечетных,Р и СР- нечетных - и Р---четных СР-------------------аффрктяу

Экспериментальное обнаружение усиления Р - нечетных эффектов в пропускании продольно поляризованных нейтронов на образце 139Ла стало очень важным аргументом для попыток экспериментального обнаружения Т

- неинвариантности в нейтронных реакциях. Как было показано В. Бунаковым и В. Гудковым механизм динамического усиления вблизи р -волновых нейтронных резонансов может работать также и в случаях Р - и Т

- нечетного и Р - четного, Т - нечетного взаимодействий. При этом величины

соответствующих эффектов можно ожидать уже на уровне 10~3 от величины Р - нечетных эффектов, которые как известно достигают 10%. В. Бунаков также показал, что асимметрия пропускания поляризованных нейтронов, через выстроенную мишень ß = Лстг /(2atot), где

Дстг = а°{ - ajr = — Im(/1or - f£r) и ff[ - амплитуды рассеяния вперед

нейтронов, поляризованных параллельно и антипараллельно оси \кп х /], связана с матричным элементом Р - четного Т - нечетного взаимодействия vTp соотношением ß = vp ¡D , где Dp расстояние между соседними р -

резонансами. По оценке В. Бунакова усиление в этом случае может достигать 103.

Позднее А. Барабанов показал, что пятерная корреляция

дп ■ [кп х 1](кп ■ I) обусловлена возможным отличием в присутствии Т -

нечетных сил s - матрицы рассеяния нейтрона из состояния р1/2 в состояние

рУ2 от s - матрицы обратного процесса, SSj = Sj(lj l'j') - Sj (I'/' -> Jj) ^ 0,

где Inj- орбитальный и полный момент нейтрона, Т - спин ядра, J = / + j -

полный момент ядра и нейтрона, Sj (lj —> l'j') - элемент S" - матрицы. Для

SSj было получено выражение

85 _2lm(gn(\\J)g'n(l\J)) J E-Epl+jTpl/ 2 '

из которого с необходимостью следует комплексность амплитуд

парциальных нейтронных ширин g„{lj'J) в присутствии Т - нечетного

взаимодействия - вывод, который можно проверить экспериментально.

В третьей главе приводится описание теоретической базы

экспериментов по исследованию нарушения Т - инвариантности в

резонансных (п,у) - реакциях в окрестности р - волновых резонансов. Наш

интерес к ним был ранее обусловлен возможностью извлечения амплитуд

нейтронных ширин и смеси каналов, которые в ряде случаев невозможно

получить из угловых распределений упругого рассеяния нейтронов из - за

малости нейтронных ширин ( Гл « Ю-6 эВ ). Эта спектрометрическая информация необходима для извлечения матричного элемента Р - нечетного взаимодействия. Разработанная в ЛНФ ОИЯИ методика измерений Р -четных асимметрий в (п,у) - реакциях в окрестности р - резонанса позволила получить экспериментальные данные, необходимые для оценки Т - нечетного взаимодействия в подходе А. Барабанова. В рамках методики изучались асимметрии выхода у - квантов вперед - назад и влево - вправо на неполяризованном и поляризованном нейтронных пучках соответственно в реакциях 113Сс^л,у)114СУ и 1175'л(л,у)1185л. Дифференциальное сечение, описывающее оба типа корреляций при захвате б - и р - волновых нейтронов ядрами со спинами I = \/2* с образованием компаунд - состояний с полными моментами ■Т'1 = 1+ и = 1" соответственно, и последующим переходом в основное состояние ядра - продукта с I* = 0+ при испускании у-квантов мультипольностей М1 и Е1 имеет вид а(кпку) = Ад + А^ку) + В1(а/1[кп х ку]) + А2[(кпку) - 1/3], где коэффициенты А, и В\ выражаются через параметры резонансов и энергию падающих нейтронов. В частности А\ описывает асимметрию выхода у - квантов вперед назад на неполяризованном нейтронном пучке. Соответствующая дисперсионная кривая пересекает нуль при энергии нейтронов, равной энергии р - резонанса. Т - неинвариантное взаимодействие, смешивающее соседние р - резонансы и приводящее к появлению дополнительных фаз у амплитуд нейтронных и радиационных ширин, сдвигает точку пересечения

нуля кривой А\ на величину пропорциональную матричному элементу у'р.

ЪЕ*Р к 2 Пр '

где Гр ширина изучаемого р - резонанса. Извлечение этого сдвига и стало целью работы. В этой же главе приводятся в общем виде измеряемые отношения для разных типов угловых корреляций.

В четвертой главе подробно описана методика изучения угловых у -корреляций и анализа данных. Описаны условия, в которых проводились измерения по времени пролета на пучках реакторов ИБР - 30 и ИБР - 2 ЛНФ ОИЯИ. В экспериментах изучались асимметрии выхода у - квантов вперед - назад и влево - вправо в реакциях шСа^л,у)114СУ и 1175л(л,у)1185л в окрестности р - волновых резонансов с Ер = 7 эВ и ^ = 1.33 эВ соответственно, у - спектры регистрировались для каждого временного окна, которые располагались вблизи изучаемых нейтронных резонансов для обоих положений детекторов. Далее подробно описаны особенности измерения у - спектров с энергией ю 9 МэВ детекторами ЛСД 77) большого объема, которые использовались в экспериментах. Приводятся параметры образцов 113Сс/ и 1175л и описана схема регистрирующей электроники в стандарте КАМАК. Особое внимание уделено устранению и контролю аппаратурной асимметрии по линиям прямого у - перехода в железе с Ег — 9.04 МэВ при измерениях с кадмием и вторичного у - перехода в олове 1185!п с Ег = 1.23 МэВ. Для устранения фона проводились дополнительные измерения с эквивалентным рассеивателем -углеродом. В измерениях с 113Сс/ фон определялся с помощью резонансного фильтра: в пучке постоянно находился образец металлического тантала, который полностью выводил из пучка нейтроны с энергиями 4.3 и 10.3 эВ. Это позволило интерполировать фон в область изучаемого резонанса 7 эВ. Полученная информация - амплитудные у - спектры во временных окнах для обоих положений детекторов - являлась исходной для получения энергетического сдвига, связанного с Т - нечетным взаимодействием. В пятой главе подробно описан метод обработки экспериментальных данных и количественный анализ возможных источников систематических ошибок. Исходной информацией для извлечения сдвига 5 из данных по асимметрии вперед - назад были времяпролетные спектры, соответ -ствующие прямым у - переходам с Е, = 9.04 МэВ в 114 Сс/ и Щ = 9325 МэВ

Е аВ п

Рис. 1. Суммарный спектр для кадмия N($3°) + N{121°). Точки -экспериментальные данные. Линия - подгоночная кривая.

БпэВ

Рис. 2. Разностный спектр для кадмия. ЛГ(53°) - N(127°) Точки экспериментальные данные. Линия - подгоночная кривая.

10000 -9000 8000 7000

3000 -

2000 -

1000 -

о 0.0

Рис. 3. Суммарный спектр для олова N(45°) + N(135°). Точки экспериментальные данные. Линия - подгоночная кривая.

0.5 1.0 1.5 2 0 2.5 3 0

ЕпзВ

Рис. 4. Разностный спектр для олова N(45°) - N(135°). Точки экспериментальные данные. Линия - подгоночная кривая.

в 1185л Л^б) и Л^я-9), где 8 - угол расположения детектора относительно направления импульса нейтронов. Сумма спектров N(0) + N(11 - 0) пропорциональна + Аг (или А0 при определенном выборе угла 0) и не зависит от 8Е^р, а разность Щв) - Щж - 0)«А1 и зависит от сдвига. Поэтому сумма N(0) + я - 0) использовалась для извлечения подгонкой по %2 параметров резонансов (см. рис. 1,3), с помощью которых затем подгонкой N(0) - N(11 - 0) вычислялся сдвиг 8Е^р (см. рис. 2,4). Для получения N(0) + N(11 - 0) и N(0) + Щп. - 0) из исходных спектров вычитался фон, проводилась нормировка и перекалибровка. Необходимость последней связана с дрейфом коэффициента усиления спектрометрических трактов. Для этого была разработана итерационная процедура, которая обеспечивала единую калибровку спектров в отдельных сериях измерений с сохранением суммарного числа отсчетов в области изучавшихся у - переходов. Далее количественно проанализированы источники возможных систематических ошибок при определении 8Е^р. Было проверено качество устранения геометрический асимметрии, связанной с несимметричной установкой детекторов под углами 0 и % - 0. В этом случае вклад члена А\ в суммарный спектр компенсируется не полностью. Кроме того был количественно определен вклад члена А% для измерений с оловом. Наконец была сделана оценка вклада захвата нейтрона после рассеяния (5%). Анализ показал, что указанные источники ошибок не влияют существенно на полученные результаты. В таблице 1 приведены полученные значения 8Е^Р_

Нуклид ЬЕ*р мэВ Р

-8.76 ± 11.19 0.14

-3.15 ± 5.96 0.077

В шестой главе получен верхний предел на величину ф - отношения сил Т - нечетного Р - четного и Т - и Р - четного взаимодействий. С учетом

фактора динамического усиления Р к 103ф, соответствующий предел для ф получается на уровне Далее обсуждаются возможности данной

методики с целью увеличения точности получаемого результата и некоторые другие типы угловых корреляций, способных дать дополнительную информацию о Т - нечетном взаимодействии. В первую очередь исследован вопрос о зависимости ошибки определения 5Е^р от числа точек в спектре и статистики спектров. Полученный результат позволяет надеяться на уменьшение ошибки 8Е^р по крайней мере до десятых долей мэВ. Помимо этого рассмотрена возможность извлечения Ур из данных для асимметрии влево - вправо, однако точность результата, полученного из существующих данных недостаточна. Здесь, кроме того, есть не решенная до сих пор проблема несогласовки величин амплитуд нейтронных ширин в этих двух типах экспериментов, которая не позволяет совместно использовать получаемые результаты. Полученная спектроскопическая информация позволяет планировать изучение Т - неинвариантности в других, возможно более оптимальных, у - переходах ядер 11 аСс1 и 1175'/?.

Таким образом, вполне реально снизить верхний предел на ф еще на порядок уже в ближайшем будущем.

Работы, положенные в основу диссертации

1. Ляпин Д.И. Саламатин И.М., Сиротин А.П. Ской В.Р., Тишин В.Г., Шарапов Э.И. Асимметрия "вперед-назад" выхода у-квантов с Е~932Ь кэВ в реакции 117«?л(п,у) в эпитепловой области: Сообщения ОИЯИ -Дубна, 1989. -РЗ-90-125. -8С.

2. Ской В.Р., Шарапов Э.И. Полные и парциальные нейтронные сечения 117«£п при Е< 5 эВ : Сообщения ОИЯИ. -Дубна. 1990 - РЗ-90-126. -7С.

3. Алфименков В.П., Мареев Ю.Д., Пикельнер Л.Б., Ской В.Р., Швецов В.Н. Р-четные эффекты в реакции 113Cd(n, у) в области резонанса Ер=7 эВ // Ядерная Физика, -1990 -Т.52, -Вып.4(10) -С.927-932

4. Ской В.Р., Шарапов Э.И. Р-четные угловые корреляции в резонансных (п,у) реакциях // ЭЧАЯ. -1991. -Т.22, -Вып.6, -С.1400-1430

5. Skoy V.R., Sharapov E.I. Gamma-ray intensities following thermal neutron capture in 117Sn // Capture gamma - ray spectroscopy: American Institute of Physics Conference Proc. 238, Pacific Grove, CA, USA, 1990, - American Institute of Physics, New York, 1991 -P.633-635

6. Barabanov A.L, Sharapov E.I., Skoy V.R., Frankle C.M. Testing T-odd, P-even interactions with у rays from neutron p - wave resonances / / Phys. Rev. Lett. -1993. -Vol. 70, -P.1216-1219

7. Barabanov A.L, Sharapov E.I., Skoy V.R., Frankle C.M. P-even T-violation from the energy shift in nonpolarized (n,y) reaction // Time Reversal Invariance and Parity Violation in Neutron Reactions: Proc. of the Second International Workshop Time Reversal Invariance and Parity Violation in Neutron Reactions, Dubna, Russia, 4-7 may 1993. - World Scientific Publishing Co. Singapore, 1994. -P.175-182.

8. Skoy V.R., Sharapov E.I. Measurement of T-odd, P-even effects in 117Sn(n,y) 118Sn reaction // Time Reversal Invariance and Parity Violation in Neutron Reactions: Proc. of the Second International Workshop Time Reversal Invariance and Parity Violation in Neutron Reactions, Dubna, Russia 4-7 may 1993. - World Scientific Publishing Co. Singapore, 1994. -P.183-186.

9. Skoy V.R., Sharapov E.I. Measurement of T-odd, P-even effects in 113C4[n,y) 114Cd and 1175л(п,у) 1185л reaction // Capture gamma - ray spectroscopy and related topics: Proc. of the Eighth International symposium on Capture gamma - ray spectroscopy and related topics, Fribourg, Switzerland, 20-24 September 1993 -World Scientific Publishing Co. Singapore, 1994, -P.805-811

Рукопись поступила в издательский отдел 21 февраля 1995 года.