Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, RUSSIA

1. ИССЛЕДОВАНИЕ АСИММЕТРИЙ ВЫЛЕТА ЛЕГКИХ ЧАСТИЦ В ТРОЙНОМДЕЛЕНИИ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР ПОЛЯРИЗОВАННЫМИ НЕЙТРОНАМИ Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, RUSSIA Physikalisches Institut, Tübingen, GERMANY Institut für Kernphysik, TU Darmstadt, GERMANY Khlopin Radium Institute, St.Petersburg, RUSSIA Department of Physics, University of Juvaskyla, FINLAND Institut Laue-Langevin, Grenoble, FRANCE А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

2. Тройное деление • Деление тяжелых ядер при низких энергиях возбуждения в 2510-3 случаев сопровождается испусканием легких заряженных частиц. (1946) • В ~97%это He и Н изотопы, а в ~90%– α-частицы. • Легкие частицы в делении,– «свидетель» разрыва ядерной материи  возможность получить информацию о конфигурации ядра в момент разрыва  интенсивно изучались их выходы, энергетические и угловые распределения. А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

3. Тройное деление поляризованными нейтронами В 1998 нашей коллаборацией было начато исследование асимметрии вида: W()dΩ ~ (1 + Dpf pTP)dΩ pf– импульс лёгкого (тяжёлого) осколка деления (FF), pTP– импульс тройной частицы (TP), σ– спин нейтрона. Первоначально рассматривалась по аналогии с аналогичной корреляцией в распаде нейтрона (  pe p ), как возможный тест Т-инвариантности. Но в неупругих процессах такая корреляция может возникать в результате взаимодействий в начальном и конечном состояниях.  Корреляция связана с механизмом деления. В первых же экспериментах на пучке холодных поляризованных нейтронов в ИЛЛ (Гренобль) была обнаружена такая асимметрия в тройном деления 233U и235U на уровне ~10-3! Это заставило искать менее сенсационное объяснение и предпринимать дальнейшие исследования. А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

4. l JL JH Модель Бунакова Назад • Есть некоторый вклад начального спина нейтрона в соответствующую проекцию углового момента осколков в момент деления • TP уносит угловой из делящейся системы • В зависимости от направления эмиссии TP, соответствующая проекция углового момента осколков увеличивается или уменьшается • плотность уровней системы зависит этой проекции, а в статистической модели плотность уровней определяет вероятность! А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

5. Назад Спин компаунд ядра Угловой момент TP Параметр плотности уровней Поляризация компаунд ядра Фактор передачи поляризации Внутреннее возбуждение осколков Момент инерции Модель Бунакова Выражение для коэффициента асимметрии i-фрагмента в статистическом подходе Бунакова: P(J+) = (2I + 3) / [3(2I + 1)]Pn дляJ+ = I + 1/2 P(J–) = –1/3PnдляJ– = I – 1/2 Сечение при низких энергиях – суперпозиция резонансов  D = [D(J+)σ(J+)+D(J–)σ(J–)] / [σ(J+)+σ(J–)] А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

6. Кориолисово взаимодействие Многообещающий подход Кадменского-Бунакова основан на учете Кориолисова взаимодействия третей частицы со спином делящегося ядра в рамках квантовой теории деления. Hcor ~ J l Fcor = 2m [v  ω] Fcen = mω  [r  ω] А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

7. Экспериментальное исследование • Измерение коэффициента Т-нечётной корреляции для различных изотопов-мишеней • Исследование зависимостей асимметрии от параметров продуктов деления: • типа легкой частицы, • её энергии, • параметров основных осколков, • относительных углов разлета продуктов • Исследование зависимости эффекта от энергии поляризованного нейтрона • Измерение других корреляций в тройном делении: • Р-нечётнойдля осколков W()dΩ ~ (1 + α PNC( pf))dΩ • лево-правойдля осколко W()dΩ ~ (1 + α LRpf pn)dΩ • Р-нечётнойдля α-частиц W()dΩ ~ (1 + APNC( pTP))dΩ • лево-правойдля α-частиц W()dΩ ~ (1 + ALRpTP pn)dΩ • Измерение Т-нечетной асимметрии для нейтронов деления А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

8. Nik() Nik() <D>expik = Nik() + Nik() Общая схема экспериментов Экспериментальная величина асимметрии определялась следующим образом: гдеNik()счёт совпадений TP–FF для разных направлений регистр-ации–i (лево-право) иk (верх-низ), () () – направления спина нейтрона, которое периодически переворачивается (~1 Гц). • Усреднение <D>ik с 'правильными' знаками  оценка для <D>еxp. • Составляющий в среднем без изменения знаков  оценка для <Z>еxp– возможная ложная экспериментальная асимметрия • Дополнительный контроль приборной асимметрии изменением направления ведущего магнитного поля (~раз в сутки). (Различие в абсолютных значениях измеренной асимметрии  присутствие ложного приборного эффекта.) А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

9. a- типичное распределение (tfragment1(or 2) – talpha ) стрелкой показан порог разделения на легкую и тяжелую группу ; • b- типичное распределение (tfragment1 – t fragment2 ) Общая схема экспериментов (разделение осколков на группы) • В делении два фрагмента испускаются в приблизительно противоположных направлениях. Причём их средние массы существенно отличаются (~ 100 и 140 а.е.м) • Очевидно, что знаки коэффициентов асимметрий противоположны для них.  Требуется, как минимум, отделить фрагменты одной массовой группыот другой. • Разделение проводилось методом времени полета : (tfragment1(or 2)– talpha) или(tfragment1 – talpha) – (tfragment 2 – talpha) = (tfragment1 – tfragment 2) А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

10. Исследование Т-нечётной асимметрии в зависимости от параметров продуктов деления • Нейтронный пучок (PF1 вИЛЛ): <λ> ~ 4.5Å; Φcapture ~6108 n/cm2s; продольно поляризован ~ 94  1 %; радиочастотный флиппер 1 Гц • Мишень ~3.4 мг233U (UF4) ~100 мкг/см2на тонкой титановую пленке (~100 мкг/см2) • 12 + 12 PIN диодовдля TP, каждый 30  30 мм, толщина 380 мкм • Определение типа частицы по времени нарастания сигналов с PIN диодов • Координатная чувствительность MWPC(~2 мм по обеим координатам)положение на мишени и углыможно определить: • массуосколков : M1/M2  T1/T2, • кинетическую энергию: E=E1+E2  L2A/2T1T2 (Разрешение невелико , посколькуT/T~1/10) А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

11. Установка (фото) А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

12. Исследование Т-нечётной асимметрии в зависимости от параметров продуктов деления (средние D) Средние значения коэффициента Т-нечетной асимметрии Dв делении 233U холодными нейтронами: <D>= –3.90.1210-3 и <D>p-d-t= –2.90.510-3 (После ввода поправок на геометрическую эффективность и поляризацию нейтронного пучка – всего ~1.2 ; все остальные поправки – на фон случайных совпадений, на смешивание групп осколков – очень малы). А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

13. Исследование Т-нечётной асимметрии в зависимости от параметров продуктов деления (от E TP) • Зависимостьот энергии TP согласуется с полученной в наших первом эксперименте, но теперь с более высокой точностью и без обрезания в области малых энергий. • В модели Бунакова это разумно объясняется –параметр Exвформуле ! Известна анти-корреляция ЕТР −<TXE> тройном делении. Полагаем , что анти-корреляция есть и для Ex Длинный спусквытянутая конфигурация сильный нагрев (Ex)медленная ТР В уранах <Ex>  6 МэВ <Eα>  16 МэВ полагаем <Ex>  0МэВ <Eα>  30МэВ  Эмпирическое выражение : Ex= 6 − 0.2 Eα D ~ (6 − 0.2 Eα) −1/2 А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

14. Исследование Т-нечётной асимметрии в зависимости от параметров продуктов деления (от массы осколков) • По-видимому, присутствует сильная зависимость от массы FFs (она еще очень замыта разрешением!).. • Возможно это объясняет заниженные в ~1.5 раза величины <D> в нашем предыдущем эксперименте • Зависимость тоже следует из модели – параметрыaив формуле ! А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

15. Исследование Т-нечётной асимметрии в зависимости от параметров продуктов деления (от углов) • Не измерялась ранее • От угла между легким осколком и TP – должна быть синусомплюс, может быть, какой-то след сильной зависимостиэффекта от ETP(известна корреляция ETP –LF-TP) • Все другие угловые зависимости, тоже без особенностей – не противоречат выражению pf pTP(по крайней мере в пределах точности) А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

16. Исследование Т-нечётной асимметрии в зависимости от параметров продуктов деления (от полной энергии осколков) • Зависимость от полной энергии осколков – (если она тут есть…) – тоже может быть связана с известной корреляциейETP –Etot_kin_FFв тройном делении. • Чтоб «распутать клубок» требуется увеличить качество экспериментальных данных, а также построить модель с учётом всей имеющейся информации по тройному делению. А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

17. <D>(233U)= –2.520.14 <D>(235U)= +0.830.11 Исследование Т-нечётной асимметрии в различных ядрах • Можно ожидатьизменения величины коэффициента Dдляразных изотопов. • Количественные оценки T - нечетной корреляции для 235U и 233U сделаны Бунаковым и они находятся в хорошем согласии с экспериментальными результатами. А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

18. Сравнительное измерение среднего значения Dв 233U и 239Pu (установка) • Нейтронный пучок (PF1 вИЛЛ): <λ> ~ 4.5Å; Φcapture ~6108 n/см2с; продольно поляризован ~ 94  1 %; флиппер «фольга с током» (1 Гц). • Мишени: ~0.5 мг233U (слой с толщиной ~140 мкг/см2) и ~1.1 мг239Pu (слой с толщиной ~300мкг/см2) на толстой 0.3 ммтитановой фольгенепрозрачной для осколков.Мишени помещались в камеру одновременно как “сэндвич” • (tfragment1(or2)– talpha) использовалось для разделения групп осколков ~6% примеси тяжелого осколка к лёгкому. • 4 + 4 поверхностно барьерных диода в каждом массиве, охлаждаемые до +5 C0, 70 ммдиаметр, толщина ~350 мкм • НЕТ идентификации частиц по времени нарастания, НЕТ координат на MWPC А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

19. Сравнительное измерение среднего значения Dв 233U и 239Pu (результаты) В результате ~30 дней измерений получены следующие результаты : 233U239Pu <D> exp–4.6  0.710-3–0.2  0.3  10-3 (Поправлено на геометрию регистрации, перекрытие массовых групп, поляризацию холодных нейтронов – всего ~ 1,3). Практически нулевая асимметрия для 239Pu может быть объяснена в модели Бунакова: • J–= 0 в 239Pu (I =1/2) нет спина –нет асимметрии! • J + = 1  поляризация компаунд-ядра высока (~0.67), но спин маленький  • результирующая проекция, которая определяет плотности уровней осколков и , следовательно, вероятности конечных состояний, образована главным образом орбитальным моментом TP • взаимная ориентация импульса TP, и начальное спина ядра становится не важной • нет причины для большой T-Нечетной асимметрии. А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

20. Лево-правая (слева) and Р-нечетная (справа) асимметрии в делении 233U в зависимости от энергии нейтрона Измерение Т-нечетной асимметрии в 233U приделении горячими нейтронами 0.16 eV Играют ли роль p-резонансы в механизме формирования T–нечетной корреляции? P-нечетная и P-четная лево-правая асимметрии в делении получаются в результате интерференции s-и p-резонансов в компаунд-ядре. Их сильная зависимость от энергии в 233U объясняется наличием p - резонанса в окрестности 0.16 eV. Если T - Нечетная корреляция также связана с s-p интерференцией, можно ожидать увеличения эффекта вплоть до 10 раз. А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

21. Измерение Т-нечетной асимметрии в 233U приделении горячими нейтронами 0.16 eV (установка) • Нейтронный пучок (D3 дифрактометр в ИЛЛ) : ~ 0.711 Å (0.16 eV); Φ ~1107 n/см2с; иридиевый фильтр гармоник; поляризация ~ 89  1 %; спин-флип0,2 Hz , “cryo”- флиппер • Мишень: ~15 мг 233U, два слоя с толщинами ~500 мкг/см2 на двух сторонах 22 мкм Алюминиевой фольге (не прозрачная для осколков!) • (tfragment1(or2)– talpha) использовалось для разделения групп осколков ~6% примеси тяжелого осколка к лёгкому • 4 + 4 поверхностно барьерных диода в каждом массиве, охлаждаемые до +5 C0, 70 ммдиаметр, толщина ~350 мкм • НЕТ идентификации частиц по времени нарастания, НЕТ координат на MWPC А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

22. Измерение Т-нечетной асимметрии в 233U приделении горячими нейтронами 0.16 eV (результат) Предварительная (on-line) величина асимметрии : –2.4  0.810-3 (С учетом поправки на геометрию регистрации, перекрывание массовых групп осколков и нейтронную поляризацию – всего ~ 1,4). • Отличие от величины для холодных нейтронов < 2σ • Это подтверждает существующие модели для T-нечетная корреляции, где асимметрия (в отличие от PNC и LR асимметрий в двойном делении) возникает в выходом канале реакции, а не в результате s-и p-интерференции в составном ядре. А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

23. LR PNC TRI PNC и LR корреляции в тройном делении(холодные нейтроны) • Установка позволяла исследовать и другие корреляции в тройном делении: • Р-нечётнойдля осколков W()dΩ ~ (1 + α PNC( pf))dΩ • лево-правойдля осколков W()dΩ ~ (1 + α LRpf pn)dΩ • Р-нечётнойдля α-частиц W()dΩ ~ (1 + APNC( pTP))dΩ • лево-правойдля α-частиц W()dΩ ~ (1 + ALRpTP pn)dΩ • Для233U было получено <αLR> = –(0.310.18)10-3 (─0.2330.025)10-3 ─ бинарное) <αPNC> = + 0.370.10)10-3 (+0.365 0.006)10-3 ─ бинарное) APNC = –(0.06 0.04)10-3 ALR= –(0.08 0.08)10-3 (равны 0 в пределах ошибок) А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

24. Сравнение Т-нечётной, PNC и LR корреляции в тройном делении  > • Р-нечётные и лево-правые эффекты формируются на стадии компаунд-ядра, на которой присутствуют также различные механизмы их усиления. • Т-нечётная асимметрия формируется близко к разрыву. • Угловое распределение осколков формируется барьере (переходные состояния Бора) • Детали распределения характеристик продуктов определяются на спуске и в момент разрыва. • Процессы двойного и тройного деления отличаются только после прохождения барьера • TP рождается на последней стадии деления в результате двойного разрыва шейки А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

25. PM n MWPC 1 polarized neutron beam n FF LF FF HF σ+ MWPC 2 σ– n Aluminium 10 m Aluminium 10 m Мишень-сэндвич PM Схема эксперимента с нейтронами PM MWPC start polarized neutron beam MWPC stop n LF HF σ+ MWPC stop σ– n Fissile target PM Схема эксперимента с нейтронами Т-нечётная асимметрия при испускании нейтронов • Поиск подобного эффекта для нейтронов, сопровождающих деление, не только естественное продолжение работы, но и заслуживает особого внимания по следующим причинам: • наблюдение эффекта дляэлект-рически нейтральных частиц существенно для детального понимания асимметрии. • отличная от нуля асимметрия длянейтронов прямо свидетель-ствовала бы о существовании «scission»нейтронов–поскольку показано, что такая корреляция может иметь место только если частица испускается одновременно с осколками. На 6 пучке реактора ВВР-М: (~107 n/см2с, поляризация ~80%) 233U: <Dn> = – ( 0.46 ± 1.03 )10-4, 235U: <Dn> = – ( 1.65 ± 0.87 )10-4 После всех поправок на 95% уровне достоверности: 233U: │<Dn>│ < 1,810-3, 235U: │<Dn>│ < 1,910-3 А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

26. Заключение и планы • Обнаружена и исследована корреляция pf pTP в тройном делении • Измерено <D>в 233U, 235U, 239Pu и 245Cm • Обнаружена сильная зависимость асимметрии от ЕТР • Обнаружена сильная зависимость асимметрии от массы осколков • Измерено <D>для 233U при делении ‘горячими’ нейтронами • Измерены LR и PNC асимметрии в тройном делении. Проверено отсутствие зависимости PNC от ЕТР • Проведён первый эксперимент по измерению Т-нечетной асимметрии для нейтронов • Полученные экспериментальные данные удовлетворительно объясняются в рамках существующей модели • Надо измерять: • Более точно <D>в 235U, т.к. это хороший ‘репер’ для теории • Исследовать более точно зависимость от параметров осколков… • Измерить более точно <D>для тритонов (сравнить с альфа-частицами)… • Повысить точность в эксперименте с нейтронами… А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

27. The end А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ

28. Ссылки • K. Schreckenbach, Internal ILL Report88SCO9T, ILL, Grenoble, 1988 • K. Schreckenbach et al., in Time Reversal Invariance and Parity Violation in Neutron Reactions, C.R. Gould et al (Ed.), World Scientific, Singapore, 1994, p. 187 • P. Jesinger et al., Proc. of the International Workshop “Nuclear fission and fission product spectroscopy”, Seyssins, France, AIP Conference Proceedings 447, Woodbury, New York, 1998, p. 395 • P. Jesinger et al., Nucl. Instr. Methods, A440 (2000), 618 • P. Jesinger et al., Yad. Fiz., 65 (2002), 662 [Phys. At. Nucl., 65 (2002), 630] • A. Gagarski et al., Proc. International Seminar ISINN-9, Dubna, Russia, 2001, 214-218 • V.E. Bunakov et al., InternalILL Repor, ILL01BU03T, ILL, Grenoble, 2001 • V.E. Bunakov, Yad. Fiz., 65 (2002), 648 [Phys. At. Nucl., 65 (2002), 616] • V.E. Bunakov, F. Gönnenwein, Yad. Fiz., 65 (2002), 2096 [Phys. At. Nucl., 65 (2002), 2036] • V.E. Bunakov, S.G. Kadmensky, Yad. Fiz., 66 (2003), 1894 [Phys. At. Nucl. 66 (2003), 1846] • E.M. Rastopchin et al., Yad. Fiz., 55 (1992), 310 • C. Budtz-Jorgensen, H.-H. Knitter, Nucl. Phys., A490 (1988), 307 • V.E. Bunakov, L. Pikelner, Prog. Part. Nucl Phys., 39 (1997), 337 • Yu. Kopach et al., Yad. Fiz.,. 62 (1999), 900 [Phys .At. Nucl. 62 (1999), 840] • M. Mutterer et al., IEEE Trans. Nucl. Science, 47 (2000), 756 • C. Guet et al., Nuclear Physics, A314 (1979), 1 • J. Pannicke et al., Proc. Journees d’Etudes sur la Fission, Arcachon, France, Report CENBG 8722, 1987, D13 • P. Heeg et al., in “Proc. Conf. on 50 Years with Nuclear Fission, Gaithersburg, 1989” (La Grange Park, IL:American Nuclear Society), Vol.1, p.299 • V.E. Bunakov, Proc. Intern. Seminar ISINN-12, Dubna, Russia, 2004, this book • V.P. Alfimenkov, G.V. Val’ski, A.M. Gagarski et al., Yad. Fiz., 58 (1995), 799 • Fig. 1. Asymmetry D vs. α-particle energy • A.Barabanov, V.E.Bunakov et al., Proc. International SeminarISINN-9, Dubna, Russia, 2001, 104. • A.Gagarski, G.Petrov, F.Goennenwein et al., Proc. XVI International Conference on Fission, IPPE, Obninsk, Russia, 2003, (in press) • A.Gagarski, G.Petrov et al., Proc. International SeminarISINN-12, Dubna, Russia, 2004, (in press) • N.Kornilov et al., Nucl.Phys. A686 (2001), 187 • G.Val’ski, Yad. Fiz., 24 (1976), 140 [Phys. At. Nucl., 24 (1976), ?] • V.E.Sokolov, A.Gagarski, G.Petrov et al., Proc. International SeminarISINN-12, Dubna, Russia, 2004, (in press) А. Гагарский СЕМИНАР ОНИ ПИЯФ