ROTATION OF THE SCISSIONING NUCLEI 234U* AND 236U* FOLLOWING CAPTURE OF COLD POLARISED NEUTRONS AS OBSERVED IN TERNARY FISSION A.Gagarski, PNPI, Russia 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

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski2 Тройное деление Деление тяжелых ядер при низких энергиях возбуждения в 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 ядерной системы в момент разрыва интенсивно изучались их выходы, энергетические и угловые распределения.

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski3 Тройное деление поляризованными нейтронами В 1998 нашей коллаборацией по предложению Г.В.Даниляна было начато исследование асимметрии вида: W( ) dΩ ~ (1 + D p f p TP ) dΩ p f – импульс лёгкого осколка деления (FF), p TP – импульс тройной частицы (TP), σ – спин нейтрона. Первоначально рассматривалась по аналогии с аналогичной корреляцией в распаде нейтрона ( p e 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 233 U на уровне ~10 -3 ! Это заставило искать менее сенсационное объяснение и предпринимать дальнейшие исследования.

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski4 Модель Бунакова 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! JLJL JHJH l

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski5 Модель Бунакова Выражение для коэффициента асимметрии i-фрагмента в статистическом подходе Бунакова: P(J + ) = (2I + 3) / [3 (2I + 1)] P n дляJ + = I + 1/2 P(J – ) = –1/3 P n дляJ – = I – 1/2 Сечение при низких энергиях – суперпозиция резонансов D = [D(J + ) σ(J + )+D(J – ) σ(J – )] / [σ(J + )+σ(J – )] Спин компаунд ядра Угловой момент TP Параметр плотности уровней Поляризация компаунд ядра Момент инерции Внутреннее возбуждение осколков Фактор передачи поляризации

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski6 Экспериментальное исследование Измерение коэффициента Т-нечётной корреляции для различных изотопов-мишеней (233U, 235U, 239Pu, 245Cm) 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 Т-нечетной асимметрии для нейтронов деления

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski7 Общая схема экспериментов Экспериментальная величина асимметрии определялась следующим образом: N i ( ) N i ( ) + N i ( ) exp i = где N i ( ) счёт совпадений TP–FF для разных критериев отбора по углам, E TP и другим регистрируемым параметрам акта деления; ( ) ( ) – направления спина нейтрона, которое периодически переворачивается (~1 Гц). Сравнение величин exp i полученных при эквивалентных параметрах i, но для событий, зарегистрированных симметричными комбинациями детекторов, позволяет контролировать ложные систематические эффекты. (Статистически значимое различие означает наличие систематики) Дополнительный контроль приборной асимметрии изменением направления ведущего магнитного поля (~раз в сутки). (Различие в абсолютных значениях измеренной асимметрии присутствие ложного приборного эффекта.)

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski8 Исследование Т-нечётной асимметрии в зависимости от параметров продуктов деления Нейтронный пучок (PF1 в ИЛЛ): ~ 4.5Å; Φ capture ~ n/cm 2 s; продольно поляризован ~ 94 1 %; радиочастотный флиппер 1 Гц Мишень ~3.4 мг 233 U (UF 4 ) ~100 мкг/см 2 на тонкой титановую пленке (~100 мкг/см 2 ) PIN диодов для TP, каждый 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: –массу осколков : M1/M2 T1/T2, (Разрешение невелико, поскольку T/T~1/10)

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski9 Установка (фото)

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski10 Исследование Т-нечётной асимметрии в зависимости от параметров продуктов деления (средние D для тритонов и альфа-частиц) Средние значения коэффициента Т-нечетной асимметрии D в делении 233 U холодными нейтронами : = – и p-d-t = – (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).

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski11 Исследование Т-нечётной асимметрии в зависимости от параметров продуктов деления (от E TP ) В модели Бунакова это разумно объясняется – параметр E xi в формуле ! Известна анти-корреляция Е ТР тройном делении. Полагаем, что анти-корреляция есть и для E xi Длинный спусквытянутая конфигурация сильный нагрев (большое E xi ) медленная ТР (мальнькое E α ) В уранах 6 МэВ 16 МэВ, полагаем 0 МэВ 30 МэВ Эмпирическое выражение :E xi = E α D ~ (6 0.2 E α ) 1/2

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski12 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!).. Зависимость тоже следует из модели – параметры a i и в формуле !

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski13 Исследование Т-нечётной асимметрии в зависимости от параметров продуктов деления (от углов) 233U

Обнаружение угловой зависимости коэффициента асимметрии D в тройном делении 235 U холодными поляризованными нейтронами (ROT эффект) (PF1B, ILL, Гренобль, июль 2005)

Схема эксперимента ( 235 U, продольная поляризация) Средние значения коэффициента асимметрии + 3,2 ± 0,19 3,4 ± 0,19 × Detectors combination 1÷8 Детекторы лёгких частиц (ППД) L,R Детекторы осколков деления (Многопроволочные пропорциональные счетчики низкого давления) snsn LR snsn LR

ROT эффект (поперечная поляризация - 1) Средние значения коэффициента асимметрии (исправить!!!) 1,39 ± 0,23 + 0,92 ± 0,26 × Detectors combination snsn LR snsn LR

ROT эффект (поперечная поляризация - 2) Средние значения коэффициента асимметрии ~ 0 × и и Detectors combination snsn LR

Гипотеза вращения плоскости углового распределения легких частиц snsn LR snsn LR snsn LR snsn LR snsn LR snsn LR snsn LR Полученное значение D соответствует сдвигу углового распределения альфа-частиц относительно легкого осколка на ~0,1° при переключении спина

Угловая зависимость асимметрии ( 235 U, продольная поляризация)

Угловая зависимость асимметрии ( 233 U, продольная поляризация)

Угловая зависимость асимметрии для 233 U и 233 U (сравнение) 233U 235U 233U TRI ~ ROT ~ U TRI ~ ROT ~ 0.004

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski22 Зависимость эффекта ROT в 235 U от энергии третей частицы

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski23 Зависимость эффекта ROT в 235 U от массы основных осколков деления 233U

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski24 Механизм возникновения ROT эффекта The compound nucleus having captured a polarised neutron will likewise be polarised with capture spins of 2+ or 3+ for 233U (4+ or 5+ for 235U) The quasi-stationary transition states at the saddle point of fission of the above two U-isotopes are collective in nature. In an adiabatic process also at the scission point the nucleus retains a strong collective contribution to be described by (J, K) quantum numbers. The angular velocity ω of the rotation is found from the relation The rotating mother source of the TPs is the key point in the explanation of the ROT and TRI effects.

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski25 Механизм возникновения ROT эффекта

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski26 Механизм возникновения ROT эффекта F Cori = 2m [v ω] F catap = m [r dω/dt] F centr = mω [r ω] ROT θ 1 θ 2 θ 2 θ 1 = ~0.1° Траектории продуктов деления для двух направлений вращения ядра (схематически)

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski27 Механизм возникновения TRI эффекта F Cori = 2m [v ω] F catap = m [r dω/dt] F centr = mω [r ω] TRI

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski28 Механизм возникновения TRI эффекта ROT TRI

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski29 Заключение Обнаружена и исследована корреляция p f p TP в тройном делении 233U, 235U В 233U –Средний коэффициент асимметрии для альфа частиц – –Практически нет зависимости коэффициента асимметрии от угла между легким осколком и третьей частицей (вариация ~ ) –Обнаружена сильная зависимость коэффициента асимметрии от Е ТР –Обнаружена сильная зависимость коэффициента асимметрии от массы осколков В 235U –Средний коэффициент асимметрии для третьих частиц –Очень сильная зависимость коэффициента асимметрии от угла между легким осколком и третьей частицей –Среднее абсолютное значение коэффициента асимметрии для третьих частиц –Обнаружена сильная зависимость коэффициента асимметрии от Е ТР, но совершенно отличная от наблюдаемой в 233U! –Не обнаружено зависимости коэффициента асимметрии от массы осколков

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski30 Заключение Высказана гипотеза о том, что подобные корреляции возникают как результат вращения делящегося ядра вблизи точки разрыва На основании экспериментальных фактов сделано предположение о существовании двух эффектов возникающих в результате этого вращения: –ROT: движение в кулоновском поле после разрыва вращающегося ядра, прямой индикатор этого вращения, позволяет определить его скорость и направление –TRI: влияние вращения на внутреннее движение нуклонов в шейке прямо перед разрывом или в момент разрыва. –Оба эффекта связаны с динамикой деления, с конфигурацией в момент разрыва … новый инструмент в физике деления Планируется выполнить более детальные измерения для 235U : –Координатная чувствительность для детекторов осколков, меньший размер детекторов легких частиц угловое разрешение 5÷10 о –Улучшенные спектрометрические качества детекторов третьей частицы –Улучшенное разрешение по массам осколков

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski31

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski32 Ссылки K. Schreckenbach, Internal ILL Report 88SCO9T, 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, V.E. Bunakov et al., Internal ILL 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 dEtudes 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. Valski, 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 Seminar ISINN-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 Seminar ISINN-12, Dubna, Russia, 2004, (in press) N.Kornilov et al., Nucl.Phys. A686 (2001), 187 G.Valski, Yad. Fiz., 24 (1976), 140 [Phys. At. Nucl., 24 (1976), ?] V.E.Sokolov, A.Gagarski, G.Petrov et al., Proc. International Seminar ISINN-12, Dubna, Russia, 2004, (in press)

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski33 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 группы от другой. Разделение проводилось методом времени полета стартом служил сигнал с детектора легких частиц, стоп – сигнал с детекторов осколков : (t fragment 1 – t alpha ) – (t fragment 2 – t alpha ) = (t fragment 1 – t fragment 2 ) M1/M2 t fragment1 / t fragment1 t fragment1 –t fragment1

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski34 Исследование Т-нечётной асимметрии в различных ядрах Можно ожидать изменения величины коэффициента D для разных изотопов. Количественные оценки T - нечетной корреляции для 235 U и 233 U сделаны Бунаковым и они находятся в хорошем согласии с экспериментальными результатами. (235U)= (233U)= – U 235 U D theo –

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski35 Сравнительное измерение среднего значения D в 233 U и 239 Pu (установка) Нейтронный пучок (PF1 в ИЛЛ): ~ 4.5Å; Φ capture ~ n/см 2 с; продольно поляризован ~ 94 1 %; флиппер «фольга с током» (1 Гц). Мишени: ~0.5 мг 233 U (слой с толщиной ~140 мкг/см 2 ) и ~1.1 мг 239 Pu (слой с толщиной ~300 мкг/см 2 ) на толстой 0.3 мм титановой фольге непрозрачной для осколков. Мишени помещались в камеру одновременно как сэндвич (t fragment1(or2) – t alpha ) использовалось для разделения групп осколков ~6% примеси тяжелого осколка к лёгкому поверхностно барьерных диода в каждом массиве, охлаждаемые до +5 C 0, 70 мм диаметр, толщина ~350 мкм НЕТ идентификации частиц по времени нарастания, НЕТ координат на MWPC

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski36 Сравнительное измерение среднего значения D в 233 U и 239 Pu (результаты) В результате ~30 дней измерений получены следующие результаты : 233 U 239 Pu exp – – (Поправлено на геометрию регистрации, перекрытие массовых групп, поляризацию холодных нейтронов – всего ~ 1,3). Практически нулевая асимметрия для 239 Pu может быть объяснена в модели Бунакова:модели Бунакова –J – = 0 в 239 Pu (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.

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski37 Измерение Т-нечетной асимметрии в 233 U при делении 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 233 U 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. Лево-правая (слева) and Р-нечетная (справа) асимметрии в делении 233 U в зависимости от энергии нейтрона

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski38 Измерение Т-нечетной асимметрии в 233 U при делении горячими нейтронами 0.16 eV (установка) Нейтронный пучок (D3 дифрактометр в ИЛЛ) : ~ Å (0.16 eV); Φ ~ n/см 2 с; иридиевый фильтр гармоник; поляризация ~ 89 1 %; спин-флип 0,2 Hz, cryo- флиппер Мишень: ~15 мг 233 U, два слоя с толщинами ~500 мкг/см 2 на двух сторонах 22 мкм Алюминиевой фольге (не прозрачная для осколков!) (t fragment1(or2 ) – t alpha ) использовалось для разделения групп осколков ~6% примеси тяжелого осколка к лёгкому поверхностно барьерных диода в каждом массиве, охлаждаемые до +5 C 0, 70 мм диаметр, толщина ~350 мкм НЕТ идентификации частиц по времени нарастания, НЕТ координат на MWPC

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski39 Измерение Т-нечетной асимметрии в 233 U при делении горячими нейтронами 0.16 eV (результат) Предварительная (on-line) величина асимметрии : – (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.

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski40 PNC и LR корреляции в тройном делении (холодные нейтроны) Установка позволяла исследовать и другие корреляции в тройном делении: –Р-нечётной для осколков W( )dΩ ~ (1 + α PNC ( p f )) dΩ –лево-правой для осколков W( )dΩ ~ (1 + α LR p f p n ) dΩ –Р-нечётной для α-частиц W( )dΩ ~ (1 + A PNC ( p TP )) dΩ –лево-правой для α-частиц W( )dΩ ~ (1 + A LR p TP p n ) dΩ Для 233 U было получено = – ( ) ( ) бинарное) = ) ( ) бинарное) A PNC = – ( ) A LR = – ( ) (равны 0 в пределах ошибок) TRI PNC LR

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski41 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 корреляцией E TP –E tot_kin_FF в тройном делении. Чтоб «распутать клубок» требуется увеличить качество экспериментальных данных, а также построить модель с учётом всей имеющейся информации по тройному делению.

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski42 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 >

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski43 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 для элект- рически нейтральных частиц существенно для детального понимания асимметрии. отличная от нуля асимметрия для нейтронов прямо свидетель- ствовала бы о существовании «scission» нейтронов – поскольку показано, что такая корреляция может иметь место только если частица испускается одновременно с осколками. Схема эксперимента с нейтронами σ–σ– Мишень- сэндвич PM n n FF σ+σ+ MWPC 1 MWPC 2 LF HF n Aluminium 10 m Aluminium 10 m Схема эксперимента с нейтронами σ–σ– MWPC stop Fissile target PM n n LF HF σ+σ+ MWPC stop MWPC start На 6 пучке реактора ВВР-М: (~10 7 n/см 2 с, поляризация ~80%) 233 U: = – ( 0.46 ± 1.03 ) 10 -4, 235 U: = – ( 1.65 ± 0.87 ) После всех поправок на 95% уровне достоверности: 233 U: < 1,

ISINN-14, May 24-27, Dubna, RUSSIA A. Gagarski44 Заключение и планы Обнаружена и исследована корреляция p f p TP в тройном делении –Измерено в 233 U, 235 U, 239 Pu и 245 Cm –Обнаружена сильная зависимость асимметрии от Е ТР –Обнаружена сильная зависимость асимметрии от массы осколков –Измерено для 233 U при делении горячими нейтронами –Измерены LR и PNC асимметрии в тройном делении. Проверено отсутствие зависимости PNC от Е ТР –Проведён первый эксперимент по измерению Т-нечетной асимметрии для нейтронов Полученные экспериментальные данные удовлетворительно объясняются в рамках существующей модели Надо измерять: –Более точно в 235 U, т.к. это хороший репер для теории –Исследовать более точно зависимость от параметров осколков… –Измерить более точно для тритонов (сравнить с альфа- частицами)… –Повысить точность в эксперименте с нейтронами…