05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 1 FIRST OBSERVATION OF FISSIONING NUCLEUS ROTATION IN THE PROCESS OF LIGHT CHARGED PARTICLE EMISSION IN 235 U TERNARY FISSION INDUCED BY THE COLD POLARIZED NEUTRONS 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 G. A. PETROV COLLABORATION

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 2 Main properties of ternary fission Relative yield of ternary fission: (2 ÷ 5)·10 -3 Main types of LCP: 4 He (90%) and H isotopes with the yield about 8% Angular distribution of LCP: Gaussian with angle relative to LFF 82 o and 18 o Energy distribution of LCP: Gaussian with 16 MeV and 9.5 MeV LCP energy and angular distribution Detailed mechanism of the light charged particle emission in ternary fission remains a mystery up to now !

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 3 T-odd correlation of LCP emission in ternary fission In 1998 our collaboration have observed for the first time angular correlation of the LCP emission in ternary fission induced by the cold polarized neutrons: W( )dΩ ~ (1+ p f p TP )dΩ, where unit vectors, p f, and p TP stand for cold neutron polarization and linear momenta of FF and LCP. Coefficient D reaches maximum in the case when all vectors are mutually perpendicular to each other. N ik ( ) N ik ( ) + N ik ( ) exp ik = where N ik ( ) stands for TP-FF counting rate of coincidences for different detector combinations and polarization directions. Final value of -coefficient was obtained after averaging procedure taking into account appropriate signs for every possible detector combination.,

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 4. Target 233 U (J = (2, 3) 235 U (J = (3, 4) 239 Pu (1, 0) 245 Cm (2, 3) ( )+ ( )- ( )+( ) ( ) + ( ) Experimental set-up and procedure of measurements Cold neutron beam: ~ 4A; ~ 6·10 8 n/cm 2 sec; P ~ 94%, flipper: 1Hz/sec Basic fissile targets: 233 U and 235 U (about 4 mg) on transparent titanium backing Particle detectors: Two assemblies of PIN-diodes in twelve ones each Fission fragments detectors: Two position sensitive MWPCs of low pressure with space resolution ~ 2mm and time resolution about 1nsec Main control experiments: Measurements with cold depolarized neutron beam Additional methods of false effect control: Averaging of the exp ik coefficients without theirs sign changing and periodical change of guiding magnetic field direction of the cold neutron polarization

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 5 Dependence of T-odd asymmetry coefficient on 233 U ternary fission parameters = F(E LCP ) = F( LCP ) = F(E FF ) = F(M 1 /(M 1 + M 2 ))

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 6 Statistical model of T-odd asymmetry effect in ternary fission (V. Bunakov et al) Compound system (J = I ± ½) polarization after polarized neutron capture: P(J + ) = (2I + 3) / [3 (2I + 1)] P n J + = I + 1/2 (J – ) = –1/3 P n for J – = I – 1/2 JLJL JHJH l When light particle is ejected up or down its linear momentum will be directed along or against polarized spin J of fissioning nucleus As a result, the density of final states of the system experiencing ternary fission will be different for two opposite neutron polarization In its turn, probability of any nuclear process in the frameworks of statistical model is proportional to the level density of the final system By this means probabilities of the LCP emission in ternary fission have to be different for the directions up and down relative to the plain formed by spin J and linear momentum of the light or heavy fission fragments

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 7 Spin of compound nucleus Angular momentum of LCP Level density parameter Compound nucleus polarization Moment of inertia Internal fragment excitation Polarization sharing between FF Theoretical equation for T-odd asymmetry coefficient in Bunakovs model

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 8 First observation of angular dependence of asymmetry coefficient of the light charged particle emission in the 235 U ternary fission induced by the cold polarized neutrons (ROT - effect) (PF1B, ILL, Grenoble, July 2005)

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 9 Vertical arrows show the positions of surface barrier detectors (SBD) (diameter 70 mm) in the experiment with 235 U ternary fission The average angle of LCP emission is θ 82°. SBDs 1,4,6 and 7 were centered at the angle θ = ± 68°. SBDs 2,3,5 and 8 were cenetred at the angle θ = ± 112°. Angular distribution of light charged particles (LCP) in ternary fission (measured with PIN diode array in 233 U ternary fission) LF – LCP

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 10 Scheme of experiment ( 235 U, longitudinal polarization) Average values of asymmetry coefficients Detector combinations × ,4 ± 0,19+3,2± 0, snsn LR snsn LR TRI - effect really observed ROT - effect

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 11 Angular dependence of average asymmetry coefficient for separated LCP detector groups in 235 U (ROT – effect) (Dotted line – average TRI effect; dotted curve – LCP angular distribution) (0.66±0.13)10 -3 Average ROT – effect:: (3.3 ± 1.3) 10 -3

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 12 Angular dependence of asymmetry coefficient for different directions of FF and LCP fly apart in 235 U ternary fission

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 13 Angular dependence of asymmetry coefficient for different directions of FF ( left-right ) and LCP (up-down) fly apart in 233 U ternary fission

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 14 Angular dependence of average asymmetry coefficient in 233 U (ROT – effect) (Dotted line – average TRI effect; curve – LCP angular distribution) -(3.90 ± 0.12)10 -3 Average ROT- effect:

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 15 ROT-effect dependence on LCP kinetic energy and FF mass ratio for LCP emission angle relative to FF direction

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 16 ROT –effect (transversal polarization: along LCP (left) and along FF (right)) Average values of asymmetry coefficients ( without correction ) Detector combination × ± ± snsn LR snsn LR Average values of asymmetry coefficients Detector combination and and × 10 3 ~ 0 Expected average value ~ 1.2·10 -3

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 17 Hypothesis of strongly deformed system rotation in the process of LCP emission in ternary fission Collective rotation of even-even deformed nucleus experiencing ternary fission may appears in the vicinity of fission barrier top where compound system is practically cold from the point of view internal degrees of freedom. For ternary fission induced by cold polarized neutrons the spin of compound system is partially polarized and rotation direction will be governed by polarization direction. As a result of this rotation the probability of ternary particle ejection and trajectories of all charged products of ternary fission are subjected to some additional forces being typical for all rotating systems. Specifically, the angular distributions of LCP emitted from such rotating systems with two opposite polarization directions appear to be sifted one to another. Because of some lag in angle of LCP rotation relative to FF one under theirs mutual acceleration in Coulomb field such a shift of angular distributions can be observed experimentally. In principal such shift has to exist for scission neutrons as well if their angular distribution is not isotropic.

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 18 Scheme of collective transition states of even-even compound nucleus in vicinity of the top of fission barrier From Vandenbosch and Huizenga

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 19 θ 1 θ 2 Observed shift of LCP angular distribution ~ Clockwise rotation Anticlockwise rotation Schematical diagram of ROT effect appearance in 235 U ternary fission (Shift of LCP angular distributions)

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 20 Illustrative diagrams of TRI and ROT effects ROT-effect Actually, both effects are observed for 233, 235 U ternary fission but in different proportions TRI-effect

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 21 Hypothesis of strongly deformed system rotation in the process of LCP emission in ternary fission (illustrations) snsn LR s LR s LR Longitudinal polarization

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 22 Hypothesis of strongly deformed system rotation in the process of LCP emission in ternary fission (transversal polarization) s LR s LR s LR s LR NO ROTATION

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 23 Input parameterSymbolValueUnit Mass ratioM H / M L 1.44 Distance between fragments d cm Initial velocity of heavy fragment VHVH cm/s Initial distance of LCP from heavy fragment xαxα between fragment cm Initial distance of LCP from fission axis yαyα 0 ÷ cm Initial energy of LCP EαEα 0.1 ÷ 1.3MeV Initial angle of the LCP with respect to the fission axis θαθα 0 ÷ 180degree Ranges of the main parameters changing in trajectory calculations of the LCP emission by rotating fissioning nucleus of 236 U

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 24 Difference in angle between LF and LCP as a function of time L = 1 ħ Difference in angle / ° time t / s angle / degree time t / s L = 1ħ, clockwise Ternary Particle Light Fragment Light fragment and ternary particle acceleration in the Coulomb field While system rotates the Ternary Particle is carried along but lags behind Only in the first s the LCP follows closely the rotation of the mother nucleus (the light fragment). At later times the LCP lags behind the LF until the rotation comes to a stop.

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 25 Main statements of quantum approach for description of TRI and ROT effects in ternary fission It is supposed that because the neck of fissioning system is cold superfluidity causes the predominant appearance the -cluster momentum l and its projection on the symmetry axis k to be zero. But just before the rupture (when r/R

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 26 Possible quantum explanation of difference in TRI and ROT effects for two uranium isotopes We emphasize that: - Existence of rotation causes additional term (l LCP J) in Hamiltonian which changes the sign for LCP emission up and down, - both TRI and ROT- effects represent T-odd ones, - TRI – effect exists only for mass asymmetrical fission, whereas ROT – effect may be observed in symmetrical fission as well - all coefficients a and b in expression for TRI and ROT – effects contain unknown phase shifts as follows: ( δ l nuclear - δ l coriolis + δ resonances ) - even though first two terns are alike in both uranium isotopes the last one is definitely different. And it could give rise the different values of TRI and ROT effects for these isotopes, The last two statements have to be checked in experiments

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 27 Conclusion and outlook - Using spin-flip technique it was observed for the first time the rotation of strongly deformed compound system 236 U exhibiting ternary fission after the capture of cold transversally polarized neutrons. - From comparison of experimental value of the LCP angular distribution shift with its value obtained in trajectory calculations the time scale of the process have been estimated (some sec). - It was shown that because of angular shift observed is forming just at the first stage of LCP and FF acceleration in the Coulomb field the further investigations of ROT and TRI - effects may give an insight into main characteristics of the fissioning system rupture. -First steps on developing of the theoretical approaches for these effects description have already demonstrated possibility of essential progress in establishment of quantum mechanical theory of nuclear fission (V. Bunakov and S.Kadmensky). - With the aim of verification of the first experimental data and further study new effects we plan to measure in this year angular and energy distributions of LCP and its shift as a function of FF masses and kinetic energies and to search for ROT and TRI effects for scission neutrons. (Now the upper limit ~ 2·10 -3 )!

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 28 Thank you for attention

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 29 Possible mechanism of ROT-effect appearance F Cori = 2m [v ω] F catap = m [r dω/dt] F centr = mω [r ω] ROT- effect

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 30 Possible mechanism of TRI-effect appearance F Cori = 2m [v ω] F catap = m [r dω/dt] F centr = mω [r ω] TRI

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 31 ROT-effect dependence on FF mass ratio in 235 U TRI-effect dependence on FF mass ratio in 233 U

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 32 Заключение и планы Обнаружена и исследована корреляция p f p TP в тройном делении 233U, 235U В 233U –Средний коэффициента асимметрии для альфа частиц – –Обнаружена сильная зависимость коэффициента асимметрии от Е ТР –Обнаружена сильная зависимость коэффициента асимметрии от массы осколков –Практически нет зависимости коэффициента асимметрии от угла между легким осколком и тройной частицей В 235U –Средний коэффициента асимметрии для альфа частиц – –Практически нет зависимости коэффициента асимметрии от угла между легким осколком и тройной частицей –Обнаружена сильная зависимость коэффициента асимметрии от Е ТР –Обнаружена сильная зависимость коэффициента асимметрии от массы осколков Надо измерять: –Более точно в 235U, 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…

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 33 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)

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 34 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

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 35 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.

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 36 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

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 37 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

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 38 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.

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 39 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

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 40 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 >

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 41 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,

05 April 2006G.A. Petrov Seminar in ILL 42 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…