Введение к работе
Предмет исследования. Симметрии - это одно из ключевых понятий современной физики. Симметрии определяют вид динамических уравнений и самые общие свойства их решений. Все законы сохранения обусловлены наличием тех или иных симметрии. Так, в частности, само представление о такой важной (сохраняющейся) величине, как угловой момент, возникает благодаря тому, что пространство изотропно.
Хорошо известно, что даже в тех задачах, где сферическая симметрия не является точной, удобно пользоваться базисными функциями, преобразующимися по неприводимым представлениям группы вращений. Соответствующие поля (парциальные волны) являются носителями определённых (квантованных) угловых моментов. Спин-угловые корреляции в реакциях и распадах, возникающие в результате интерференции полей, очень чувствительны к смешиванию и изменению относительных вкладов парциальных волн.
Таким образом, существует двоякая связь между симметриями и спин-угловыми корреляциями в широком круге задач, связанных с молекулами, атомами, ядрами и элементарными частицами. С одной стороны, сама возможность изучать с помощью спин-угловых корреляций зависимость механизмов процессов и взаимодействий от спинов или измерять такие характеристики квантовых уровней, как спины, чётности и магнитные моменты, основывается на наличии фундаментальных пространственно-временных симметрии. С другой стороны, нарушения симметрии, таких, например, как инвариантность по отношению к инверсии пространственных осей (V) или инвариантность по отношению к обращению времени (Т), порождают специфические спин-угловые корреляции, благодаря которым эти нарушения могут быть найдены.
Спин-угловые корреляции широко используются для исследования самых разных характеристик атомных и субатомных процессов и проверки фундаментальных симметрии. Так, в частности, открытие значительной V нечётной спин-угловой корреляции в [3 распаде прямо показало, что в слабых взаимодействиях V инвариантность нарушается [C.S.Wu et al., 1957]. Позже было установлено существование слабых добавок к нуклон-нуклонным силам, порождающих малые V нечётные корреляции в реакции радиационного захвата нейтронов [Yu.G.Abov et al., 1964]. После того, как было найдено нарушение CV инвариантности в распадах К0 мезонов [J.Christenson et al, 1964], начались интенсивные поиски эф-
фектов нарушения Т инвариантности в атомных и ядерных процессах. Эти поиски, однако, до сих пор не увенчались успехом.
Цель исследования. Основная часть исследований спин-угловых корреляций, выполненных к настоящему времени, сосредоточена в области [3 и 7 распадов поляризованных и выстроенных систем. Значительно меньше внимания уделялось реакциям с участием спин-ориентированных частиц. Между тем непрерывное совершенствование техники достижения низких температур, а также динамических методов, упрощает получение пучков поляризованных и выстроенных частиц, как "снарядов", так и "мишеней".
Для планирования экспериментов по взаимодействию спин-ориентированных частиц необходимо, конечно, понимать, какие сведения об атомных и субатомных процессах в них могут быть получены. Речь идёт и о характеристиках квантовых состояний, и о влиянии угловых моментов на поведение квантовых систем, и о силах, нарушающих фундаментальные симметрии, в первую очередь, Т инвариантность (природа нарушения этой симметрии до сих пор остаётся загадкой).
Актуальность темы. Значительная часть диссертации посвящена взаимодействию медленных нейтронов с ядрами. На рубеже 1970-х и 1980-х годов были открыты V нечётные спин-угловые корреляции в канале деления [Г.В.Данилян и др., 1977] и в упругом канале [М.Forte et al., 1980; В.П.Алфименков и др., 1981] (в дополнение к ранее найденным эффектам в канале радиационного захвата). После этого были развёрнуты широкие экспериментальные и теоретические исследования (продолжающиеся и сейчас) механизмов усиления эффектов нарушения фундаментальных симметрии в нейтронных резонансах, а также возможностей обнаружения нарушения Т инвариантности во взаимодействии нейтронов и ядер.
Помимо результатов, полученных автором и касающихся новых эффектов во взаимодействиях и распадах спин-ориентированных систем, в диссертации приведено множество сведений об открытиях, сделанных в этой области в последние два десятилетия. Этот материал представляется тем более актуальным, что в ближайшее время в нашей стране планируется введение в строй нейтронных источников нового поколения - установки IREN в ОИЯИ (Дубна) и реактора ПИК в ПИЯФ (Гатчина). Кроме того, в диссертации анализируются спин-угловые корреляции в захвате мюонов ядрами. Их измерение может, в частности, помочь
определить формфактор индуцированного псевдоскалярного взаимодействия, для которого по неясным до сих пор причинам в некоторых экспериментах получаются значения, существенно отличающиеся от величины, предсказанной в рамках гипотезы о частичном сохранении аксиального тока.
Познавательная ценность работы. В диссертации рассматриваются все четыре возможных способа исследования взаимодействия медленных нейтронов с ядрами. А именно, канал упругого рассеяния на произвольный угол (включая когерентное, брэгговское отражение от поверхности кристалла), канал радиационного захвата, канал нейтронно-индуцированного деления, а также прохождение сквозь мишень нейтронного пучка (его убывание определяется полным сечением, которое согласно оптической теореме пропорционально мнимой части аплитуды упругого рассеяния на угол 0). В случае захвата мюонов ядрами во внимание принимается только доминирующий выходной канал, в котором имеются мюонное нейтрино и ядро отдачи. Это внешнее разнообразие выходных каналов и реакций, протекающих под действием сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий, позволяет подчеркнуть общность и эффективность того метода выделения спин-угловых корреляций, который применяется в диссертации.
Практическая ценность работы. В диссертации на большом числе примеров прослежено, как от гамильтониана эволюционирующей или распадающейся квантовой системы перейти к явным выражениям для спин-угловых корреляций. При этом рассмотрены очень разные системы (гамильтонианы) - это и сталкивающиеся частицы, претерпевающие упругое и неупругое рассеяние, и распады (деление) на две или три частицы, и излучение 7 квантов, и распады, обусловленные взаимодействием со слабым током, который возникает при переходе мюона в мюонное нейтрино. Методы вычисления и анализа спин-угловых корреляций, разработанные в диссертации, могут найти применение не только в той физике субатомных систем, которой в основном посвящена эта работа, но и в гораздо более широком круге задач, связанных с атомами и молекулами.
В диссертации сформулирован целый ряд предложений по новым экспериментам в области взаимодействия нейтронов и мюонов с ядрами, которые могут дать важные сведения о свойствах ядерных сил, о структуре ядерных состояний, а также о нарушении Т инвариантности. Измерения
могут быть выполнены, в частности, на нейтронных источниках нового поколения ОИЯИ (IREN) и ПИЯФ (ПИК), ввод в строй которых ожидается в ближайшие годы, а также на зарубежных источниках нейтронов, таких как реактор Института Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция) или SNS (Ок-Ридж, США).
Публикации и научная новизна. Диссертация написана на основе материалов, вошедших в статьи, список которых приведён в конце автореферата. Все результаты, представленные в них, получены впервые (являются оригинальными).
Апробация диссертации. Результаты, включённые в диссертацию, докладывались на семинарах и научных конференциях в РНЦ "Курчатовский институт", на сессиях отделения ядерной физики РАН (Москва, 1986 и Москва, 1998), на 10-м (Обнинск, 1984), 11-м (Обнинск, 1987), 12-м (Обнинск, 1993), 13-м (Обнинск, 1995) и 15-м (Обнинск, 2000) российских совещаниях по физике деления, на 36-м (Харьков, 1986), 42-м (Санкт-Петербург, 1992) и 50-м (Санкт-Петербург, 2000) международных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, на международной конференции по нейтронной физике (Киев, 1987), на рабочем совещании по исследованиям на реакторе ПИК (Гатчина, 1988), на 26-й ежегодной весенней школе по ядерной физике (Хольцхау, 1988), на международной конференции по физике деления (Берлин, 1989), на международной конференции "Деление ядер - 50 лет" (Ленинград, 1989), на рабочем совещании "Исследования ядер с помощью нейтронов" (Дубна, 1990), на 1-м (Дубна, 1992), 2-м (Дубна, 1994), 4-м (Дубна, 1996), 5-м (Дубна, 1997), 9-м (Дубна, 2001) и 12-м (Дубна, 2004) международных семинарах по взаимодействию нейтронов с ядрами, на 3-й международной конференции "Weak and Electromagnetic Interactions in Nuclei" (Дубна, 1992), на 2-м международном совещании "Time Reversal Invariance and Parity Violation in Neutron Reactions" (Дубна, 1993), на международном совещании "Parity and Time Reversal Violation in Compound Nuclear States and Related Topics" (Тренто, 1995), на международной конференции "Dynamical Aspects of Nuclear Fission" (Каста-Папирника, 1996), на международной конференции "Nuclear Data for Science and Technology" (Триест, 1997), на 1-й (Дубна, 1997) и 2-й (Дубна, 1999) международных конференциях "Новая физика без ускорителей", на международной конференции по ядерной физике (Париж, 1998), на 35-й зимней школе ПИЯФ (Репино, 2001), на международной конференции "Symmetries and
Spin" (Прага, 2002).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти частей, охватывающих пятнадцать глав (со сквозной нумерацией), заключения и трёх приложений. Общий объём диссертации -662 страницы. Диссертация содержит 18 рисунков, 4 таблицы и список литературы, включающий 444 наименований.
