Введение к работе
Актуальность проблемы. Диссертация состоит из двух частей. Первая посвящена изучению сильных электрических полей, действующих на нейтрон при динамической дифракции по Лауэ в кристаллах без центра симметрии, и связанной с этим новой возмож-ностнопоиска электрического дипольного момента (ЭДМ) нейтрона в дифракционных экспериментах.
Проблема существования ЭДМ нейтрона является весьма актуальной, поскольку тесно связана с фундаментальными проблемами нарушения временной (Т) и СР-симметрпп. Различные теории нарушения СР приводят к очень широкому диапазону предсказываемых значений ЭДМ. Получение новых экспериментальных ограничений на его величину позволяет исключать ряд теорий н тем самым получать новую информацию о механизме СР-нарушенпя. Хотя обнаружить ЭДМ нейтрона пока не. удается, экспериментальные ограничения на его величину уже сыграли свою роль, позволив, по выражению Голуба п Ламоро, "исключить больше теорий (предложенных для объяснения К-распада), чем это сделал любой другой эксперимент за всю историю фпзикп". В частности, последние экспериментальные данные ПИЯФ (Гатчина, Россия) и ILL (Гренобль, Франция) практически закрывают модель Вайнберга с СР-нарушеннем в хштсовском секторе, которая дает уровень оценок 10~22 — 10~2а есм.
Во второй частг развивается теория эффекта сверхтонком смещения рентгеновских уровнен, возбуждаемых в процессах электронного захвата, внутренней конверсии и последующего электромагнитного каскада. Такое смещение рентгеновских Т\- и L-лпний на крпсталл-дпфракционных спектрометрах измеряется с точностью в несколько процентов.
Актуальность теорпп определяется возможностью создания на этой основе нового метода изменения магнитных momchtod (и некоторых других характеристик) ядерных состояний практически с любыми временами жпзни, гак как для большинства ядерных уровней онп значительно больше времен жизни Л'- и L-дырок в электронных оболочках атомов.
_4—
Цели и задачи работы. Основной делью первой части работы является изучение сильных электрических внутрпкрпсталлпческпх полей, действующих на нейтрон при дифракции по Лауэ в нецен-троспмметрцчяом прозрачном кристалле (понятие таких полей было введено автором), теоретическое описание и экспериментальное обнаружение новых наблюдаемых эффектов, к которым эти поля приводят, измерение величины полей по этим эффектам, а также изучение новой открывающейся возможности применения этих полей для поиска электрического дипольного момента нейтрона.
Другой задачей является создание теории сверхтонких смещении рентгеновских уровней атома, возбуждаемых в различных процессах (электронный захват, внутренняя конверсия, электромагнитный переход с более высокого возбужденного рентгеновского уровня) и обз'словленных взаимодействием магнитного дипольного п электрического квадрупольного моментов ядра с сильными магнитными и электрическими полями, создаваемыми токами внутренних оболочек атома, имеющих одну вакансию, а также создание на о,снове этой теории нового метода определения магнитных моментов и некоторых других характеристик ядерных состояний практически с любыми временами жизни по измерениям сверхтонких смещений рентгеновских линий (или конверсионных электронных), возбуждаемых при внутренней конверсии.
Научная новизна- Основные результаты работы являются, орп-гиьа.тьными п получены впервые.
Предсказан и теоретически описан ряд новых эффектов, обусловленных воздействием на нейтрон сильных внутрикрпсталллческнх электрических полей с напряженностями, превышающими 108 В/см. проявляющихся при дифракции по Лауэ в неиентроспмметричном прозрачном кристалле.
На основе этих эффектов предложен и впервые реализован метод измерения электрических внутрикрнсталлпческпх полей, действующих па дифрагирующий неитрсь. Впервые измерена величина поля для плоскости (ИЗО) о-кварца, которая в пределах ошибки измерений совпала с рассчитанной. ,
Эти чффекты также положены в' основу нового дифракционного
метода поиска ЭДМ нейтрона. Показано, что его чувствительность при углах Брэгга, блпзкнх к 7г/2. может, в принципе, превзойти чувствительность магнпторезонансного метода, использующего ультрахолодные нейтроны п являющегося в настоящее время наиболее чувствительным.
Развита детальная теория эффекта сверхтонкого смещения рентгеновских уровней, возбуждаемых в различных процессах. Впервые получены общие формулы, описывающие заселенности компонент сверхтонкой структуры атома, возбуждаемого при внутренней конверсии и электронных захватах произвольного типа, а также в процессе дальнейшей разрядки атома электромагнитными 1-переходамп. Получены общие выражения для магнитных дипольных и электрических квадрупольных сверхтонких смещений рентгеновских (и конверсионных) линий, возбуждаемых в указанных процессах.
На основе развитой теории реализован новый метод измерения магнитных моментов ядер! По измеренным,сверхтонким смещениям рентгеновских линий удалось определить ряд магнитных моментов (в толі числе и неизвестных) ядерных состояний.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований позволили получить принципиально новую информацию о воздействии на нейтроны при дифракции в кристаллах без центра симметрии сильных электрических полей и измерить эти поля. Они дают возможность постановки новых экспериментов по попеку ЭДМ нейтрона.
Реализован новый метод измерения магнитных моментов ядер практически с любыми ві>смевамп жизни по сверхтонким смещениям ренгеновских линий, возбуждаемых при К-конверснн. Полученные результаты стимулируют создание новых методик определения мультипольних моментов ядер, например, на основе измерения смещений конверсионных электронных К-, L-лннпй.на /J-споктрометрах высокого разрешения, а также дают возможность постановки новых экспериментов по измерению отношений амплитуд разного типа в процессах конверсии и электронного захвата (в дополнение к опытам по угловым корреляциям).
—(і—
Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на Международном совещании по фундаментальной физике с медленными нейтронами (Гренобль, 1989 г.), на XXVI Зимней школе ЛИЯФ (Ленинград, 19911.), на рабочем совещании по исследованиям в области ядерной физики на реакторе ПИК (Ленинград, 1988.г.), на Международном рабочем совещании но проекту высокопоточного реактора ПИК (Санкт-Петербург, 1992 г.), на Всесоюзных V—VIII семинарах по точным измерениям в ядерной спектроскопии (Новгород, 1984, 1988 г.г., Вильнюс, 1986 г., Ужгород, 1990 г.), на Всесоюзном семинаре "Теория атомов н атомных спектіюв" (Одесса, 1986 г.), на семинарах в институте Гана-Мейтнер (Берлин, 1991 г.), в Радиевом институте им. В.Г.Хлошша (1990 г.), в СПб государственном университете (1993 г.) и неоднократно в ПИЯФ им.Б.П.Константпнова РАН.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
-
Показано, что в нецентросимметрнчном кристалле положення "ядерных" плоскостей могут не совпадать с положениями "электрических" плоскостей, в результате при дпфракдпп в нецентро-спмметричном кристалле на нейтрон может действовать направленное вдоль вектора обратной решетки сильное внутрпкрпсталллче-ское электрическое поле, величина которого зависит от направления распространения нейтрона по отношению к кристаллографическим плоскостям н достигает максимума Ея при точном вьшолненпп условий Брэгга. Введенная величина Ед является новой векторной характеристикой систем кристаллографических плоскостей в непен-гроспдшетрпчных кристаллах, отражающей их ориентацию в направлении, например, от ядерной плоскости к ближайшей электрической. Проведены расчеты величин Ед для ряда плоскостей кристалла о-кварца и некоторых других нецентроспмметрпчных кристаллов.
-
Показано, что швингеровское взаимодействие магнитного момента нейтрона с этими полями при дифракции по Лауэ в непентро-< пчмсі'рпт"ом кристалле приводит к новому эффекту: зависимости ф.ззы мпятшікоі'оц картины от ориентации спина нейтрона относп-тельпи кристаллографических плоскостей.
На основе этого эффекта реализован метод нзмереппя электрических внутрпкристаллпческпх полей, действующих на дифрагирующий нейтрон. Впервые измерена величина поля для плоскости (1120) а-кварца. Она оказалась равной:
Щ = (2.1 ±0.12(0.23)) х 108 В/см.
В пределах ошпбкц измерений эта величина совпала с рассчитанной:
ц» = 2-2 х 10* в/см-
-
Показано, что наличие у нейтрона ЭДМ п его взаимодействие с электрическими полями в кристалле приводит к дополнительному смещению фазы маятниковой картины при перевороте спина нейтрона, которое можно наблюдать экспериментально. Этот эффект положен в оснору предлагаемого метода поиска ЭДМ нейтрона.
-
Показана, что при дифракции по Лауэ эффект смещения фазы при перевороте еппна нейтрона, связанный со шппнгеровекпм взаимодействием» не зависит от угла Брэгга (и, соответственно, от энергии и длины волны нейтрона). Он определяется только характеристиками кристалла (его толщиной и величиной эффективного вну-трпкрпегаллпческого электрического поля Eg) и фундаментальными константами. Тогда как эффект, связанный с наличием у дейтрона ЭДМ, растет с приближением угла Брэгга к прямому, как tp On, т.е. как 1/(t/2 — вв) при 9д ~ тг/2.
Эти свойства, с одной стороны, можно использовать для исключения ложного эффекта, связанного со швпнгеровекпм взаимодействием, в эксперименте по поиску ЭДМ нейтрона, например, проводя измерения для двух углов Брэгга. С другой стороны, при углах Брэгга, близких к тг/2, можно более чем на порядок увеличить время г пребывания нейтрона в кристалле таї самым соответственно увеличить чувствительность метода (величину Ег) к ЭДМ нейтрона.
5. Предложена и детально рассчптапа Двухкрнстальная установ
ка, позволяющая провести эксперимент по поиску ЭДМ нейтрона
путем измерения смешения маятниковой фазы при перевороте сшит
—8—
нейтрона при углах Брэгга, близких к тг/2. Однокристальный вариант для такого эксперимента в принципе неприменим из-за малого (~ 1") периода маятниковых осцилляции по углу Брэгга. Аналитическая теория двухкристальшш установки построена впервые.
Показано, что высокая светосила предложенной двухкристальшш установки за счет ее практической бездпспсрспонностп, возможность применения углов Брэгга, близких к 7г/2, сильные' внутрикрпсталли-чеекце поля, а также несколько возможностей исключения ложного эффекта от швингеровского взаимодействия нейтрона позволяют, в принципе, превзойти по чувствительности діагниторезонаненьш метод, использующий ультрахолодные нейтроны и являющийся в настоящее время наиболее чувствительным.
-
Предсказаны еще два новых эффекта прп дифракцпп по Лауэ в непентроспмметрпчном кристалле, связанных с вращением спина во внутршерпсталличеекпх полях за счет швингеровского взаимодействия. Это — зависимости величин контраста маятниковой картины п степени полярпзашгп для нейтронов, первоначально-поляргоован-ных в плоскости дпфракцнп, от толщины кристалла. В частности, при определенной толщине кристалла (3,6 см для системы плоскостей (11)) кварца) контраст полностью исчезает. При этом происходит полная деполяризация нейтронного пучка.
-
Эффект деполяризации нейтронов прп дифракции сохраняется ирг усреднении по маятниковым осцилляциям. Поэтому его (так же, как и эффект смещения фазы В двухкристальной установке) можно использовать для экспериментов прп углах, близких к прямому. Предложено, в частности, использовать этот эффект для определения того, насколько можно приблизиться по углу Брэгга к тг/2 с сохранением величины электрического поля, путем измерения этого ноля при разных углах Брэгга по степени деполяризации нейтронного пучка (за счет швпнгсровского взаимодействия). Рассматривается также возможность использования этого эффекта для поиска ЭДМ. чн) (-ущест аенно упрощает установку по сравнению с двухкристальной.
$. Развита летальная теория эффекта сверхтонкого смещения
—9—
рентгеновских уровней, возбуждаемых d различных процессах. Впер
вые получены общие формулы, описывающие заселенности компо
нент сверхтонкой структуры атома, возбуждаемого при внутрен
ней конверсии п электронных захватах произвольного типа, а так
же в процессе дальнейшей разрядкп атома электромагнитными 1-
переходамп. Подучены общие выражения для магнптных дппольных
п электрических квадрупольных сверхтонких смещений рентгенов
ских (и конверсионных) линий, возбуждаемых в указанных процес
сах. . .
-
Предсказан новый механизм возникновения нестатпстпче-ской заселенности подуровней сверхтонкой структуры рентгеновских уровней, возбуждаемых при разрешенных /('-захватах, связанный с интерференцией амплитуд переходов типа Ферми и Гамова— Теллера.
-
Проведены численные релятивистские хартрп-фоковскпе расчеты магнитных дппольных и электрических квадрупольных констант сверхтонкой структуры для Л'-,і;_.;;/-оболочек атомов с атом-нымп номерами от Z = 10 до Z = 100. Проведено также сравнение с расчетами этих констант по аналитическим формулам для водоро-доподобных атомов с учетом соответствующих поправок.
-
На основе проведенных расчетов показана реальная возможность измерения магнитных моментов ядерных состояний г; сверхтонким смещенпям реитгеновскпх К-, Х-лншш, возбуждаемых при' произвольных конверсионных переходах, а также квадрупольных моментов ядер по сверхтонким смещенпям рентгеновских линий L-серпн практически при любых временах жизни ядерных состояний.
-
На основе развитой теории реализован новый метод измерения магнптных моментов ядер. По измеренным сверхтонким смешениям рентгеновских линий удалось определить ряд магнитных моментов (d том числе и неизвестных) ядерных состоянии. Для раиео измеренных другими методами магнитных моментов имеется согласие и пределах ошибок с результатами, полученными новым методом.
-
Показано, что при разрядке атома электромагнитными Е\-
— 10—
переходами с уровня, смещенного из-за нестатнстнческого возбуждения компонент сверхтонкой структуры, как. напрпмер, при конверсии, конечный уровень (п. соответствено, все последующие) смещается пропорционально смещению начального уровня, т.е. происходит перенос информации (напрпмер, о мультппольном моменте ядра) из оболочки, возбуждаемой при конверсии, вверх, вплоть до оптических уровней. Так что. в принципе, мультипольные моменты ядер можно измерять по смещениям центров тяжести любых линий (либо сверхтонких мультнплетов, если они разрешены). гог}ювождающих конверсию, электронный захват пли другой процесс, приводящий к не-статпстнческому заселению компонент сверхтонкой структуры возбуждаемого состояния атома.
14. Показано, что интерференция амплитуд переходов разного типа при конверсии и электронном захвате может оказывать существенное влияние на заселенности возбуждаемых состоянии сверхтонкой структуры (и, соответственно, на величину смещения уровня), что позволяет, в принципе, по измеренным смещениям рентгеновских линий (при известном магнитном моменте), в дополнение к корреляционным методам, определять отношения этих амплитуд, включая знаки. Влияние интерференции необходимо учитывать при обработке экспериментальных данных по смещениям (напрпмер, при определении магнитных моментов,,). С другой стороны, она может представить самостоятельный интерес, например, для исследования нарушения изотопической инвариантности в ядрах по интерференции амплитуд переходов типа Ферми п Гамова—Теллера в разрешенных /f-захватах с Д/ гОис изменением пзосшгаа на единицу.
Структура и объем работы. Диссертация состоит пз Введе-ипя. двух частей, каждая из которых содержит четыре главы, раз-nv:vi I )i,mom,i и списка литературы. К первой части имеется приложение. Обшпн объем 202 страницы. В работе приведено 22 рисунка и V.I таблиц. Библиография содержит 128 ссылок.
Похожие диссертации на Новые возможности использования внутриатомных и внутрикристаллических полей в физике ядра и элементарных частиц
