ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2023, том 86, № 5, с. 526-531

ЯДРА

О НАБЛЮДАЕМЫХ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ЭФФЕКТАХ ВРАЩЕНИЯ

ДЕЛЯЩЕГОСЯ ЯДРА (ROT-ЭФФЕКТАХ)

Поступила в редакцию 16.02.2023 г.; после доработки 23.03.2023 г.; принята к публикации 01.04.2023 г.

В экспериментах на поляризованных пучках нейтронов обнаружены эффекты, свидетельствующие

о вращении делящегося ядра. Основным фактором для такого заключения является асимметрия

счета совпадений между детекторами частиц, сопровождающих деление, и детекторами осколков,

при реверсе направления поляризации пучка нейтронов вызывающих деление исследуемых ядер.

Измеряемая асимметрия объясняется авторами открытия смещением углового распределения частиц

в направлении по или против направления вращения делящегося ядра. В большинстве публикаций это

смещение также объясняется вращением углового распределения частиц в направлении вращения оси

деления ядра. В настоящей работе излагается достаточно простое альтернативное объяснение.

DOI: 10.31857/S0044002723050112, EDN: IDJDNU

1. Большой коллаборацией институтов России

совершенно иной эффект, а именно макроскопи-

и Германии на холодном поляризованном пуч-

ческий эффект вращения поляризованного деля-

ке высокопоточного реактора Института Лауэ-

щегося ядра [3, 4]. Он состоял в асимметрии сче-

Ланжевена (ИЛЛ) был предпринят эксперимент по

та совпадений сигналов с детекторов α-частиц с

поиску T -нечетной трех-векторной угловой корре-

сигналами с детекторов осколков деления относи-

ляции в тройном делении ядер²³³U:

тельно направления поляризации пучка нейтронов.

Авторы проанализировали все возможные аппара-

W (P_lf, P_α, S) = Const.{1 + DS[P_lf × P_α]},

(1)

турные эффекты и пришли к объяснению, что уг-

ловые распределения (УР) α-частиц смещаются в

где D — коэффициент корреляции, S — единичный

направлении по или против направления вращения

вектор в направлении поляризации пучка нейтро-

оси деформации делящегося ядра в момент раз-

нов, P_lf и P_α — единичные векторы в направлениях

импульсов легкого осколка и длиннопробежной α-

рыва шейки, соединяющей два будущих осколка.

частицы тройного деления соответственно. Боль-

В трактовке авторов измеряемая в эксперименте

шим сюрпризом, даже для авторов, оказалось, что

асимметрия счета совпадений есть разность между

смещенными УР, отнесенная к их сумме в позиции

D не равно нулю, а порядка 10-3 [1].

расположения детектора α-частиц. Эта гипотеза

Конечно, обнаруженный эффект не свидетель-

была “подтверждена” Монте-Карло-расчетами [5].

ствует о нарушении временной инвариантности.

Авторы работы [3] назвали это явление ROT-

Вероятнее всего его можно объяснить кориолисо-

эффектом (от rotation).

вым механизмом [2], поскольку делящееся поляри-

зованное ядро вращается.

Это открытие нового явления в физике деления

ядер стимулировало постановку экспериментов по

Обнаруженное явление детально изучалось, и

поиску аналогичного эффекта в эмиссии γ-квантов

интерес представляло измерение такой же корре-

и нейтронов возбужденными осколками. Искомые

ляции при тройном делении ядер²³⁵U. Такой экс-

эффекты асимметрии счета совпадений указанных

перимент был поставлен на пучке поляризованных

частиц с осколками действительно были обнару-

холодных нейтронов реактора ИЛЛ в 2005 г. При-

жены. Мы не будем объяснять, каким образом γ-

рода преподнесла авторам работы очередной сюр-

кванты и нейтроны, эмитируемые не в момент раз-

приз: оказалось, что вместо трехвекторной корре-

рыва шейки, могут проявить ROT-эффекты, по-

ляции, обнаруженной при тройном делении ядер

рекомендуем читателю статьи [6-8]. Авторы боль-

²³³U, при тройном делении ядер²³⁵U обнаружен

шинства публикаций на эту тему, и в их числе автор

настоящей статьи, в своих первоначальных публи-

¹⁾НИЦ “Курчатовский институт” — Курчатовский ком-

кациях, следуя работе [3], объясняли обнаружен-

плекс теоретической и экспериментальной физики,

Москва, Россия.

ные асимметрии смещением УР регистрируемых

^*E-mail: danilyan@itep.ru

частиц в направлении вращения ядра. На самом

526

О НАБЛЮДАЕМЫХ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ЭФФЕКТАХ ВРАЩЕНИЯ

527

Рис. 1. Условная экспериментальная установка для обнаружения ROT-эффекта. 1 — Детекторы условных частиц,

сопровождающих деление ядер, 2 — детекторы осколков деления ядер, 3 — мишень, содержащая делящиеся ядра, 4 —

профильпучка продольнополяризованныхнейтронов,5 — рабочийгаз,используемыйв детекторахосколков,6 — корпус

камеры деления.

деле можно привести очень простое и наглядное

может вовлекаться кулоновским полем осколков

объяснение механизма возникновения асимметрии

во вращение оси деления. Это УР частицы и яв-

счета совпадений частицы с осколком при реверсе

ляется меткой направления оси деформации в мо-

направления поляризации пучка нейтронов. Ниже

мент разрыва шейки. Именно относительно этого

описывается этот механизм.

направления смещаются траектории осколков.

2. Ядро с отличным от нуля спином враща-

3. Установки, предназначенные для измерения

ется, и если оно поляризовано, то возникает ось

ROT-эффектов, конечно, отличаются многообра-

вращения Z. Делящиеся ядра деформированы, и

зием методик измерений. Но для простоты рассуж-

ось деформации должна вращаться относительно

дений мы приводим схематически условную уста-

этой выделенной оси. При делении вращающегося

новку на рис. 1. Мишень, содержащая делящиеся

ядра осколки деления в начальный момент разрыва

ядра, и детекторы осколков деления расположены

шейки вследствие орбитального вращения асим-

в “плоскости”, ортогональной пучку продольно по-

метричной “гантельки” приобретают тангенциаль-

ляризованных нейтронов.

ную составляющую скорости, и, следовательно, их

Камера деления окружена детекторами частиц,

траектории, вместо прямолинейных в направле-

сопровождающих акт деления ядра. Регистриру-

нии оси деформации, обусловленной кулоновским

ются совпадения между сигналами с детекторов

отталкиванием осколков, становятся гиперболи-

осколков с сигналами от всех детекторов частиц.

ческими, что приводит к смещению траектории

Для простоты рассмотрим ситуацию с совпадени-

осколков от направления оси деформации в момент

ем сигнала от осколка с сигналом от одного из

разрыва шейки на малый угол. Этот угол может

детекторов частиц в верхней полусфере. Частица,

быть использован для определения скорости вра-

сопровождающая деления ядра, должна эмитиро-

щения делящегося ядра, но для этого необходи-

ваться из шейки в момент ее разрыва (scission

мо знать направление оси деформации в момент

point) и, очевидно, из “точки”, характеризующей

разрыва шейки и конфигурацию асимметричной

центр масс асимметричной “гантельки”. Поскольку

“гантельки”.

последняя вращалась в момент разрыва шейки,

Деление ядра, как правило, сопровождается

то это вращение в меньшей мере скажется на

эмиссией частицы, УР которой формируется отно-

траектории частицы, чем на траектории осколка.

сительно оси деформации в момент разрыва шейки

Допустим, что рассматриваемый детектор частиц

или коррелирует с ней и, как правило, не зави-

расположен относительно условного УР частицы

сит от траекторий осколков. Исключением явля-

слева от максимума УР (рис. 2). Будем считать, что

ется УР α-частицы тройного деления, поскольку

делящееся ядро вращается по часовой стрелке, ес-

в начальный момент низкоэнергичная α-частица

ли смотреть на схему установки. Частица попадает

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№5

2023

528

ДАНИЛЯН

1.5

1.4

1.3

1.2

1.1

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

100

120

140

160

180

200

Рис. 2. Условное представление УР регистрируемых частиц в совпадении с осколком.

Рис. 3. Схематическое изображение смещений частицы и осколка. а — Пучок нейтронов не поляризован. Делящееся

ядро не вращается. б — Ядро вращается по часовой стрелке. Частица отклоняется на небольшой угол, тогда как осколок

смещается на угол θ. Угол между частицей и осколком увеличивается по сравнению с левым рисунком. в — Ядро

вращается против часовой стрелки. Угол между частицей и осколком уменьшается по сравнению с левым рисунком.

в детектор по “вращающейся” траектории также

стрелке вероятность зарегистрировать частицу в

по часовой стрелке, но ненамного отличающейся

позиции рассматриваемого детектора увеличилась.

от прямолинейной, тогда как осколок смещается

Очевидно, что при вращении делящегося ядра про-

в направлении по часовой стрелке на небольшой

тив часовой стрелки угол уменьшится (рис. 3),

угол θ. Легко видеть на рис. 3, что вследствие

и, следовательно, вероятность регистрации умень-

шится. Такое имеет место для всех детекторов

различия в эффектах смещения траекторий части-

цы и осколка угол между “точками” регистрации

частиц в верхней полусфере экспериментальной

частицы и осколка в соответствующих детекторах

установки. В нижней полусфере картина будет

увеличился. Имея в виду, что УР частицы есть ни

обратной. Очевидно, счет совпадений счетчиком,

что иное, как вероятность зарегистрировать части-

соответствующим вращению “гантельки” по часо-

цу под данным углом, приходим к выводу, что при

вой стрелке, должен возрасти, поскольку вероят-

вращении асимметричной “гантельки” по часовой

ность регистрации частицы увеличилась. И, соот-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№5

2023

О НАБЛЮДАЕМЫХ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ЭФФЕКТАХ ВРАЩЕНИЯ

529

100

Угол, град

Рис. 4. Угловое распределение условных частиц, сопровождающих деление. 1 и 2 — угловые распределения при

вращении ядра по часовой стрелке и против соответственно, 3 — их разность в увеличенном масштабе.

ветственно, счет совпадений счетчиком, соответ-

в эксперименте асимметрия, так и угол θ, очень

ствующим вращению “гантельки” против часовой

малы.

стрелки — уменьшится. Разность показаний двух

Следует подчеркнуть, что во всех эксперимен-

указанных счетчиков событий совпадения частицы

тах по обнаружению ROT-эффекта единственной

с осколком, отнесенная к их сумме, и есть из-

измеряемой величиной является асимметрия счета

меряемая в эксперименте асимметрия счета для

совпадений сигналов с детекторов частиц с сиг-

детектора частицы под данным углом к детектору

налами с детекторов осколков деления ядра. Как

осколков относительно направления поляризации

ясно из изложенного, для объяснения наблюдае-

пучка нейтронов.

мой в эксперименте асимметрии, нам не пришлось

4. Выше рассмотрен частный случай УР частиц.

прибегать к смещениям УР. Однако если по данным

В общем случае знак и величина асимметрии счета

счетчиков событий совпадений частицы с осколком

совпадений для каждого детектора частицы зави-

при двух противоположных направлениях поляри-

сят от знака и величины производной УР частиц

зации пучка нейтронов построить УР, соответству-

в месте расположения данного детектора частицы.

ющих каждому из направлений поляризации пучка

Коэффициент асимметрии как функцию угла между

нейтронов, то можно обнаружить, что построенные

детекторами частицы и осколка можно записать

УР частицы смещены друг относительно друга на

как

угол 2θ, как это показано на рис. 4. Это смещение

(2)

УР возникло вследствие сдвига траектории оскол-

ка, но в публикациях оно приводится как следствие

= {N⁺(ϕ) - N^-(ϕ)}/{N⁺(ϕ) + N^-(ϕ)} =

“вращения” УР.

= 2θ{[∂F (ϕ)/∂ϕ]}/F (ϕ)].

В качестве примера применения предлагаемой

Здесь N⁺(ϕ) — число совпадений сигналов с де-

модели ROT-эффекта рассмотрим корреляцию

тектора частиц, расположенного под углом ϕ к оси

знаков коэффициентов асимметрий при тройном

абсцисс, при положительном смещении траектории

делении ядер

²³⁵U, опубликованную в работе

осколка, N^-(ϕ) — при отрицательном, F (ϕ) —

[3]. Рисунок

мы взяли из этой статьи. На

функция, описывающая УР частицы.

нем схематически показана экспериментальная

Зная F (ϕ), можно вычислить θ. Очевидно, что

установка, на которой и был обнаружен ROT-

величины производных УР при разных углах зави-

эффект при тройном делении ядер²³⁵U. Знаки

сят от коэффициента анизотропии УР. В отличие

коэффициентов асимметрий, показанные в верхней

от тройного деления ядер, где анизотропия УР

части установки, получены при направлении пучка

достаточно велика, для γ-квантов и нейтронов ани-

продольно поляризованных нейтронов, обозначен-

зотропия не столь велика, поэтому как измеряемая

ного как σ+z, что означает вращение делящегося

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№5

2023

530

ДАНИЛЯН

LCP

LEFT

RIGHT

DOWN

Рис. 5. Изображение корреляций знаков коэффициентов асимметрий при измерениях ROT-эффекта в тройном

делении ядер²³⁵U c регистрацией совпадений сигналов с α-детекторов с сигналами от детекторов осколков. Картина

воспроизводит знаковую корреляцию в измерениях при направлении поляризации пучка нейтронов σ+z, когда ядро

вращается по часовой стрелке, и реверсированном направлении σ-z , когда ядро вращается против направления часовой

стрелки.

ядра по часовой стрелке, если смотреть на рисунок.

[3]. Разумеется, в задачу автора данной статьи не

Симметричное угловое распределение α-частиц

входит вычисление абсолютных значений коэффи-

проявляет максимум при 82^◦, поэтому левая группа

циентов асимметрии. Однако предлагаемое аль-

детекторов α-частиц располагалась при 68^◦, тогда

тернативное объяснение природы ROT-эффекта

как правая при угле 112^◦. Рассматривались совпа-

будет полезно при интерпретации и планировании

дения сигналов с детекторов α-частиц с сигналами

новых экспериментов.

от детекторов, зарегистрировавших легкие оскол-

Автор благодарен Карине Емельяненко за

ки. Как отмечалось выше, в начальный момент

оформление рисунков, Ф.С. Джепарову за ценные

своего рождения низкоэнергичная α-частица увле-

замечания и А.М. Гагарскому за полезное обсуж-

кается вращающимся кулоновым полем осколков и

дение.

поворачивается на небольшой угол, много меньший

Работа выполнена в рамках государственного

угла смещения легкого осколка. Для простоты

задания Национальному исследовательскому цен-

рассуждений в первом приближении этим углом

тру “Курчатовский институт”.

пренебрежем. Для детекторов, расположенных под

углом 68^◦, угол между α-частицей и смещенным

осколком возрастет, и, следовательно, вероятность

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

регистрации α-частицы возрастает. При ревер-

1. P. Jesinger, G. V. Danilyan, A. M. Gagarski, et al.,

се направления поляризации пучка нейтронов,

ЯФ 62, 1723 (1999) [Phys. At. Nucl. 62, 1608 (1999)].

наоборот, угол между α-частицей и смещенным

2. В. Е. Бунаков, С. Г. Кадменский, ЯФ 74, 1687 (2011).

осколком уменьшится, следовательно, вероятность

3. F. Goennenwein, M. Mutterer, A. Gagarski, I. Guseva,

регистрации уменьшится. Набор рассматриваемых

G. Petrov, V. Sokolov, T. Zavarukhina, Yu. Gusev,

событий покажет, что измеряемая асимметрия

J. von Kalben, V. Nesvizhevski, and T. Soldner, Phys.

положительна, как и показано на схеме. Чтобы

Lett. B 652, 13 (2007).

не перегружать читателя лишней информацией,

4. A. Gagarski, F. G ¨onnenwein, I. Guseva, P. Jesinger,

сообщим, что для группы детекторов α-частиц,

Yu. Kopatch, T. Kuzmina, E. Leli `evre-Berna,

расположенных под углом 112^◦, ситуация будет

M. Mutterer, V. Nesvizhevsky, G. Petrov, T. Soldner,

обратная, и знаки коэффициентов асимметрии

G. Tiourine, W. H. Trzaska, and T. Zavarukhina, Phys.

окажутся отрицательными, опять же, как показано

Rev. C 93, 054619 (2016).

на рисунке. Очевидно, что картина для нижних

5. И. С. Гусева, Ю. И. Гусев, Изв. РАН. Сер. физ. 71,

групп детекторов α-частиц будет асимметричной

382 (2007).

картине для верхней группы.

6. Г. В. Данилян, Т. Вильперт, П. Гранц и др., ЯФ 71,

5. Таким образом, выше показано, что развитое

2036 (2008).

в данной работе качественное объяснение ROT-

7. G. V. Danilyan, P. Granz, V. A. Krakhotin, et al., Phys.

эффекта, примененное к тройному делению ядер

Lett. B 679, 25 (2009).

²³⁵U, вполне удовлетворительно согласуется с экс-

8. Г. В. Данилян, Й. Кленке, Ю. Н. Копач и др., ЯФ 77,

периментальными данными, полученными в статье

1 (2014).

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№5

2023