ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2014, том 77, № 3, с. 340-344
ЯДРА
ПОИСК Р-НЕЧЕТНОГО ЭФФЕКТА В РАДИАЦИОННОМ СЕЧЕНИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОНОВ С ЯДРАМИ СВИНЦА
© 2014 г. Ю. М. Гледенов1), В. В. Несвижевский2)*, П. В. Седышев1), Е. В. Шульгина3), В. А. Весна3)
Поступила в редакцию 19.03.2013 г.; после доработки 01.08.2013 г.
Измерен Р-нечетный эффект в радиационном сечении при захвате продольно-поляризованных нейтронов образцом естественного свинца на пучке PF1B реактора института Макса фон Лауэ—Поля Ланжевена. Поляризация нейтронов Рп была не хуже 92%, интегральная интенсивность поляризованных нейтронов х 1010 н/с, средняя длина волны нейтронов А = 4.7 Л. С учетом "0-теста" получен эффект асимметрии а7(па1РЬ) = (2.3 ± 3.5) х 10~7 или на 90%-ном уровне достоверности а7 < 8.1 х 10-7.
DOI: 10.7868/80044002714020056
ВВЕДЕНИЕ
В экспериментах [1] и [2] было обнаружено, что при прохождении поперечно-поляризованных нейтронов сквозь образец свинца естественного изотопного состава спин нейтронов поворачивается на большой угол р вокруг направления их импульса. Этот поворот объяснялся авторами как следствие Р-нечетного эффекта во взаимодействии нейтронов с ядрами свинца и равнялся р = = (2.24 ± 0.33) х 10"6 рад/см [1] и р = (3.53 ± ± 0.79) х 10_6 рад/см [2] соответственно.
Естественный свинец состоит из четырех изотопов с массовыми числами: 204 (1.4%), 206 (23.6%), 207 (22.6%) и 208 (52.4%) (в скобках указано процентное содержание изотопов). Плотность ядерных уровней во всех четырех изотопах мала. В трех изотопах отсутствуют, по крайней мере при малых энергиях, резонансы с такими квантовыми состояниями, что они могли бы создавать эффекты нарушения пространственной четности. Исключением является изотоп 204 РЬ, в котором есть широкий подпороговый з-резонанс с энергией —2.98 кэВ и шириной 72 эВ, а также ближайший к нему р-резонанс с энергией 0.48 кэВ и шириной 3 х 10_3 эВ. Однако рассчитанный эффект Р-нечетного вращения за счет этой пары резонансов
'-1 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия.
2)Институт Макса фон Лауэ—Поля Ланжевена, Гренобль, Франция.
3) Петербургский институт ядерной физики, Гатчина, Россия.
E-mail: nesvizh@ill.fr
равен р ~ 5 х 10 9 рад/см [3], что значительно меньше экспериментально измеренной величины.
Валентная модель Р-нечетных эффектов [4] предсказывала поворот спина нейтрона при прохождении сквозь мишень 207РЬ за счет интерференции компаунд-ядерного р-резонанса и з-волнового потенциального ядерного рассеяния на угол р ~ ~ 10"5 рад/см. Измеренный же угол поворота спина нейтрона в свинцовой мишени с изотопным обогащением 207РЬ 87% [2] был равен р < 4.3 х х 10_6 со статистической достоверностью 90%, что указывает на неприменимость валентной модели.
Угол поворота спина поперечно-поляризованных нейтронов также был измерен в образце свинца с 36.6%-ным изотопным обогащением 204РЬ. Результат, пересчитанный на 100%-ное содержание изотопа 204 РЬ, равен р = (8 ± 2) х 10_5 рад/см [5].
Для объяснения вращения спина поперечно-поляризованных нейтронов Лобов предположил в работе [3] существование в 204РЬ подпорогового р-резонанса, который смешивается слабым взаимодействием с упомянутым выше широким под-пороговым з-резонансом (Е^ = —2.98 кэВ, Г® = = 72 эВ). С учетом имеющихся данных по углу поворота спина нейтрона в естественном свинце, ядерных данных по сечениям реакций с нейтронами и данных по распространенности изотопов свинца параметры этого гипотетического р-резонанса должны быть равны: Ер = —16 эВ и ГП = 3 х 10"3 эВ, для объяснения наблюденного Р-нечетного поворота спина нейтрона. Здесь Е^, Ер — энергии з- и р-резонансов, Г^, ГП — их нейтронные ширины.
Кроме того, в работе [6] предполагалось, что эффект нарушения четности в натуральном свинце может быть объяснен существованием сильного отрицательного резонанса в изотопе 207РЬ. Этот результат не согласуется с выводами работ [1,2, 5] о том, что источником эффекта является изотоп 204РЬ. Согласно оптической теореме Р-нечетный эффект во вращении спина нейтрона должен сопровождаться Р-нечетными эффектами в полном и радиационном сечениях. И хотя предполагаемые величины этих эффектов малы по сравнению с эффектом во вращении спина нейтрона, таким образом можно получить дополнительную информацию, которая может помочь в разрешении этой проблемы.
Эксперименты по измерению угла поворота спина нейтрона достаточно сложны, и велика вероятность ложного систематического эффекта, что не отрицают и некоторые соавторы выполненных работ (см. [7]). Результаты же измерения Р-нечетного эффекта в полном и радиационном сечениях не зависят от структурного строения вещества. Наблюдение такого Р-нечетного эффекта даст однозначный ответ на вопрос о присутствии в спектрах свинца р-резонанса. Кроме того, выполнение таких измерений гораздо проще методологически.
Если в спектре ядер есть подходящие в- и р-резонансы, вероятность захвата продольно-поляризованных нейтронов будет зависеть Р-нечетным образом от их поляризации, что связано с эффектом вращения спина нейтрона. Это неравенство можно наблюдать как разность в сечении взаимодействия нейтронов разных спиральностей и как разность испускания 7-квантов в (п,7)-реакции при захвате нейтронов ядрами свинца. Многочисленные эксперименты показали [8, 9], что эта асимметрия связана только с захватом нейтронов в компаунд-состояние ядра, но не с потенциальным рассеянием нейтронов. Причем в этих работах доказано, что эти разности, т.е. величины абсолютных эффектов в полном и радиационном сечениях, равны между собой: Да7 = а+ — - а- = Да^ = — о-^. Здесь а+, а- — сечения радиационного захвата; а+^ а- — полные сечения для нейтронов с поляризацией, направленной по импульсу (+) и против импульса (—) нейтронов, т.е. с разной спиральностью, соответственно.
При измерении Р-нечетного эффекта в полном сечении в нейтронном канале эффект нормируется на величину полного сечения. Поскольку потенциальное рассеяние есть всегда, относительный Р-нечетный эффект в полном сечении всегда меньше, чем эффект в радиационном канале при наблюдении испускания 7-квантов из компаунд-состояния ядра, так как а^ = ар^епМ + а7. Поэтому чем
больше сечение потенциального рассеяния, тем более предпочтителен эксперимент по обнаружению Р-нечетного эффекта при наблюдении асимметрии в радиационном сечении. В естественном свинце сечение потенциального рассеяния равно аРокПм ~ 11 бн, а сечение радиационного захвата а1 = 0.17 бн при тепловой энергии нейтронов [10].
При измерении эффекта в полном сечении измеряемой величиной является
I + - I -
где 1+, I- — интенсивности нейтронов, поляризованных по импульсу и против импульса нейтронов, прошедших сквозь мишень. Эта величина связана с коэффициентом асимметрии
Дам
-
п ~ +1
аш + аы в полном сечении соотношением
2а,
м
5
ап -
Рп (1/Ь)'
(2)
(3)
где Рп — поляризация нейтронов; I — длина образца; Ь — длина свободного пробега нейтронов в данном веществе; и а- и ам; Дам = а+0± — а-0±.
До настоящего времени было выполнено лишь одно измерение Р-нечетной асимметрии в полном сечении продольно-поляризованных тепловых нейтронов на естественном свинце группой Або-ва [11]. Результат этого эксперимента ап = (0.7 ± ± 0.8) х 10-6 при тепловой энергии нейтронов. Длина волны нейтронов Л = 1.8 А; полный поток нейтронов 2 х 107 н/с; их поляризация Рп = 85%; 1/Ь = 2.
При измерениях эффекта нарушения Р-четнос-ти в сечении радиационного захвата измеряемой величиной является
I + - I -= -(4)
I+ +1-
где 1+, I- — интенсивности 7-квантов, испускаемых в (п, 7)-реакции, соответствующие разной спиральности нейтронов. Коэффициент асимметрии
(5)
а =
а+ — а-
2а
а+ + а- 2°у через измеряемую величину 51 определяется как
а =
5-у ~Р~'
п
(6)
где Рп — поляризация нейтронов; а+ и а7 и а~(;
Да = а+ — а-
342
ГЛЕДЕНОВ и др.
Поскольку Да7 = а+ — а-
а
м
выполняется соотношение
ап/а1 = а7 ¡ап.
ЭКСПЕРИМЕНТ
(7)
Мы измерили Р-нечетный эффект в радиационном сечении при захвате продольно-поляризованных нейтронов образцом естественного свинца на пучке PF1B реактора института Макса фон Лауэ—Поля Ланжевена [12]. Поляризация нейтронов Рп была не хуже 92%, интегральная интенсивность поляризованных нейтронов ^3 х х 1010 н/с, средняя длина волны нейтронов А = = 4.7 А.
Чистота свинца (фирма Goodfellow) была равна 99.95%. Образец представлял собой два цилиндра диаметром 80 мм и высотой 100 мм, расположенных друг за другом по пучку нейтронов. Образец свинца помещался, для полного поглощения рассеянных в нем нейтронов, в коробку из литиевой резины (6LiF) толщиной ~1.9 мм, открытую со стороны входа пучка. Образец помещался вплотную, насколько возможно, к детекторам 7-квантов, поскольку величина эффекта в радиационном сечении пропорциональна (ап, рп), где ап, рп — спин и импульс нейтрона соответственно, и не зависит от телесного угла на детектор. В "нулевом" опыте коробка без свинца помещалась на место мишени между детекторами 7-квантов. В коробку вместо образца свинца помещалась литиевая резина толщиной 4 мм.
Детекторами служили кристаллы №1(Т1) диаметром 200 мм и толщиной 100 мм. Световые кванты регистрировались фотодиодами "Нашаша18и". Детекторы соединялись с фотодиодами световодами из оргстекла. Направление поляризации нейтронов переключалось адиабатическим флиппером. Спин нейтрона устанавливался параллельно его импульсу с точностью ~10-2. В качестве ведущих спин нейтрона магнитных полей использовались катушки Гельмгольца, намотанные медным проводом. Величина напряженности ведущего поля составляла ^5—7 Э.
Схема эксперимента показана на рис. 1. Применялась интегральная методика регистрации 7-квантов. Подробно эта методика описана в работах [13—16]. Знак эффекта в радиационном сечении одинаков для обоих детекторов, поэтому применение процедуры компенсации флуктуаций мощности реактора при вычитании значений токов детекторов невозможно. Измерения проводились при частотах переключения поляризации нейтронов выше основных частот спектра нейтронных шумов реактора [17].
а„
Рис. 1. Схема эксперимента.
о/1 с
10-2-
10
1-3
10-
ЙРЪ
1-й детектор
2-й
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.