ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 7, с. 1257-1262
ЯДРА
О ПРИРОДЕ НАРУШЕНИЯ ЧЕТНОСТИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
НЕЙТРОНОВ СО СВИНЦОМ
© 2004 г. Ю. Анджеевски1), Н. А. Гундорин2), И. Л. Карпихин3), Л. Ласонь1), Г. А. Лобов3), Д. В. Матвеев2), Л. Б. Пикельнер2)*
Поступила в редакцию 03.07.2003 г.; после доработки 07.10.2003 г.
В ряде экспериментальных работ был обнаружен эффект нарушения четности при взаимодействии тепловых нейтронов со свинцом. Такой эффект, согласно существующей теории, объясняется смешиванием состояний разной четности (в- и р-резонансов). Отсутствие р-резонанса вблизи тепловой области энергии нейтронов делает существенным обнаружение уровня, лежащего ниже энергии связи нейтрона, так называемого отрицательного резонанса. В настоящей работе измерен энергетический ход сечения радиационного захвата нейтрона на свинце и показано отличие его от закона 1 ¡\ГЁ для изотопа 207Pb, что свидетельствует о существовании сильного "отрицательного" резонанса. Сделана оценка параметров этого резонанса.
ВВЕДЕНИЕ
В начале 80-х годов были предсказаны [1—3] и экспериментально обнаружены [4, 5] усиленные эффекты нарушения четности в процессе взаимодействия медленных нейтронов с ядрами. Было показано, что действие механизма усиления таких эффектов обусловлено структурой и свойствами ядер-мишеней. Наибольшей величины эффекты достигают в области р-волновых резонансов. Так, например, для 139La полное сечение в р-резонансе с энергией 0.75 эВ меняется на 10% при переходе от неполяризованных нейтронов к поляризованным.
В дальнейшем детальное исследование таких эффектов для ряда ядер проводилось в Лос-Аламосе [6], где измерялась зависимость полных нейтронных сечений от спиральности нейтронов. Все полученные результаты согласовывались с теорией, в которой эти эффекты объяснялись смешиванием компаунд-состояний разной четности, в данном случае s- и р-резонансов.
Помимо эффекта нарушения четности в полном сечении существует и был измерен другой эффект — вращение спина нейтрона, поляризованного перпендикулярно импульсу, при прохождении через изучаемую мишень. Оба эффекта описывались единой теоретической моделью.
1)Лодзинский университет, Польша.
2)Лаборатория нейтронной физики, ОИЯИ, Дубна, Россия.
3)Институт теоретической и экспериментальной физики,
Москва, Россия.
E-mail: plb@nf.jinr.ru
Среди нескольких ядер, для которых было измерено вращение спина тепловых нейтронов, был свинец. Для него в работе [7] было получено значение
Д^ = (2.24 ± 0.33) х 10"6 рад/см.
В качестве мишени использовался естественный свинец, в состав которого входят четыре изотопа. Так как вблизи тепловой области энергии нейтронов у свинца нет резонансов, представлялось интересным выяснить, какой именно изотоп дает этот эффект. Повторение эксперимента на естественном свинце [8] подтвердило наличие эффекта. Было получено значение
Д^ = (3.53 ± 0.79) х 10"6 рад/см.
Проведенное измерение на изотопе 207Pb, которого в естественной смеси 22%, показало, что не он дает искомый эффект [8].
Позднее было проведено измерение с изотопом 204Pb [9], которого в естественном свинце всего 1.4%, и было получено значение
Д^ = (8 ± 2) х 10"5 рад/см.
Это несколько меньше, чем требовалось для объяснения эффекта на естественном свинце, но качественно, тем не менее, могло его объяснить.
В рамках упрощенной двухуровневой модели смешивания одного в- и одного р-резонанса можно записать выражение для угла поворота спина [10] в виде
(1)
4тгА2(1 эВ)рИ^у/Г£(1 эВ)Г£(1 эВ) ,
=-(Е-Е3)(Е-ЕР)- [РЗД/СМ]-
Здесь А —длина волны нейтрона/27г; р — число ядер/см3 мишени; Шзр — матричный элемент смешивания слабым взаимодействием состояний разной четности; ГП и ГП — нейтронные ширины в- и р-резонансов; Е3 и Ер — энергетическое положение в- и р-резонансов; символ "1 эВ" показывает, что данная величина приведена к 1 эВ. В формуле (1) предполагается, что полные ширины Г3 ^ Е — — Е3 и Гр < Е — Ер.
Используя в формуле (1) известные параметры в- ир-резонансов для 204Pb [11], можно видеть, что получится на несколько порядков меньше, чем в эксперименте. Возможен вариант, что компаунд-состояние, соответствующее р-резонансу, лежит ниже энергии связи, — так называемый отрицательный резонанс. Из (1) видно, что эффект в тепловой области при Е < 0.1 эВ пропорционален д/Гга /Ев,р- Выбрав для з-резонанса максимальную величину этого отношения из [11] (Е3 = = —3 кэВ и ГП(1 эВ) = 1.3 эВ) и предполагая для р-резонанса среднее значение ГП (1 эВ) = 3 х х 10"7 эВ и Ер = £/10 = 100 эВ (Б — среднее расстояние между уровнями, которое составляет около 1 кэВ для 204Pb), получим Д^> = 9 х х 10"7 рад/см, т.е. на 2 порядка меньше, чем в эксперименте. При этом использована величина Шзр = 5 х 10"3 эВ — несколько завышенная по отношению к средней. Больший эффект можно получить, если существенно увеличить ГП и уменьшить Ер. Например, на порядок увеличив ГП и поместив резонанс на 5 эВ ниже энергии связи, получим Д^> = 6 х 10"5 рад/см. Это уже близко к результату эксперимента с 204Pb, хотя еще заметно меньше, чем было получено в измерениях на естественном свинце.
Таким образом, объяснение эффекта нарушения четности в свинце может быть связано с наличием сильного р-резонанса вблизи энергии связи. Поэтому обнаружение такого отрицательного резонанса имеет принципиальное значение.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОЦЕНКА ОЖИДАЕМОГО РЕЗУЛЬТАТА
В качестве метода поиска отрицательного резонанса мы предложили исследование зависимости сечения радиационного захвата нейтронов от их энергии. Такое сечение описывается формулой Брейта—Вигнера:
а^ (Е) =
7гА дТпТ0
При малых энергиях нейтронов Е ^ Е0 и Г ^ Е0 выражение (2) можно преобразовать к виду
7гА2(1 эВ)дГ. = -
для в-волнового взаимодействия и
(0) Г
п 1 л
^Р (Е) =
тгА2(1 ЭВ^Г^Г,
VI
(3)
(4)
для р-волнового.
В выражениях (3) и (4) гП0) и Г1 — не зависящие от энергии нейтронов приведенные нейтронные ширины в- и р-резонансов с энергиями Ез и Ер. Существенную роль в р-волновом сечении играет центробежный фактор ослабления
У1 1 + {кпг (5)
Здесь к = 1/А —волновое число нейтрона, а К — радиус ядра.
Величина VI для свинца составляет VI =3 х х 10_6Е. Отсюда
следует, что энергетическая зависимость сечения захвата нейтронов имеет различный вид для в- и р-волн:
л/Ж
^^ (Е)
аР (Е)
(Е — Е0)2 + Г2/4'
(2)
Оценим величину а^ для сильного отрицательного резонанса, рассмотренного выше: Ер =
= —5 эВ, ГП0 = 1 эВ и Г7 = 0.5 эВ. Тогда при энергии 0.025 эВ величина Ор = 6.3 х 10_3 бн, что составляет около 1 % от полного сечения захвата в тепловой точке: а?((0.025 эВ) = 660 х 10_3 бн [11]. Однако уже при энергии нейтронов 1 эВ соотношение существенно меняется: а3 = 104 мбн и а1рр = 40 мбн.
На рис. 1 показан энергетический ход а3 (штриховая кривая) и а3 + аР (сплошная кривая). Видно, что, измерив ход сечения радиационного захвата нейтрона в области от тепловой точки до 2—3 эВ, можно оценить вклад р-волны или дать его верхнюю оценку.
МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТ
Эксперимент проводился на пучке нейтронов импульсного реактора ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ в Дубне. Для спектрометрии нейтронов использовалась хорошо отработанная методика времени пролета. Как следует из упомянутых во Введении экспериментальных результатов, наиболее вероятным ожидалось обнаружение отрицательного резонанса в реакции радиационного захвата
oY, бн
10е
10-
0.03
101
102
103
En, мэВ
Рис. 2. Принципиальная схема COCOS.
Y-спектрометра
Рис. 1. Энергетическая зависимость сечения радиационного захвата нейтронов на ядре 204РЬ: штриховая кривая — а^, сплошная — а'^ + а!р ((а^)т = 660 мбн, (ар)т = 6.3 мбн).
нейтрона на изотопе свинца с массовым числом 204. Поэтому в качестве изучаемой мишени использовался обогащенный образец свинца в виде цилиндра с общим весом 4.7 г, содержащий 36.6% изотопа 204Pb, 30.6% - 206Pb, 13.2% - = 207Pb и 19.6% - 208Pb (вместо 1.43, 24.15, 22.4 и 52.4% соответственно в естественной смеси изотопов). Для снижения вероятности разного рода систематических погрешностей при проведении эксперимента наиболее удобным представлялось одновременное измерение спектра y-лучей от двух мишеней, одна из которых является изучаемой, а другая - эталонной с известным ходом сечения захвата по закону 1 j \[Ё. В случае благоприятного соотношения интенсивностей и энергетического разрешения, достаточного для разделения выбранных Y-линий от двух составляющих такой мишени, может быть сделан однозначный вывод о наличии отклонения энергетической зависимости сечения радиационного захвата нейтронов от закона 1/л/Ё для изучаемой мишени. Измерения спектра Y-излучения радиационного захвата нейтронов в настоящей работе проводились с помощью HPGe-детектора, входящего в состав комбинированного корреляционного спектрометра COCOS (COmbined Correlative Spectrometer). Применение этого спектрометра на пучках нейтронов обусловлено необходимостью максимального подавления фона для повышения точности анализа y-спектра, сопутствующего изучаемым нейтронно-ядерным взаимодействиям. Концепция спектрометра основана на каскадной природе y-излучения возбужденного ядра. Она предусматривает комбинированное применение полупроводникового Ge-детектора, обладающего высоким энергетическим разрешением, и сцинтилляционных кристаллических детекторов с высокой эффективностью регистрации y-квантов,
компактную геометрию многоканальной детекторной системы и корреляционный анализ многомерных экспериментальных данных. Принципиальная схема такого спектрометра представлена на рис. 2.
Коллимированный пучок нейтронов 1n0 диаметром 1 см падает на мишень с размерами 00.6 х х 2.0 см. Кристаллические BGO-сцинтилляторы, окружающие мишень и HPGe-детектор, предназначены для регистрации y-квантов с энергетическим разрешением 15-20% (при энергии EY = 511 кэВ) и абсолютной эффективностью, близкой к 50%. Полупроводниковый HPGe-детектор с абсолютной эффективностью 1 -2% регистрирует Y-кванты каскада во временном окне совпадений 200-300 нс. При этом высокое энергетическое разрешение этого детектора (0.1-0.4%) дает возможность выделять в спектре и идентифицировать отдельные линии разряд
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.