Дифракция нейтронов и другие нейтронооптические эффекты в нецентросимметричных кристаллах и их использование для исследований в области фундаментальной физики

Посвящается моей жене Татьяне.

Данная работа посвящена исследованию новых физических явлений, связанных со взаимодействием нейтрона с нецентросимметрич-ным кристаллом и формированию нового направления по исследованию симметрий фундаментальных взаимодействий. Интерес к данной деятельности связан с тем, что отсутствие центра симметрии у монокристалла может приводить к целому классу новых дифракционных и нейтроннооптических эффектов. В частности, даже для случая прозрачного немагнитного кристалла, возникает зависимость полного потенциала взаимодействия нейтрона с кристаллом от направления спина нейтрона. Данная зависимость возникает за счет наличия в нецентросимметричном кристалле дополнительного сдвига фазы между структурными амплитудами ядерного и электромагнитного рассеяния нейтрона кристаллом, и, как следствие, к появлению интерференционного члена в полном потенциале взаимодействия нейтрона с кристаллом. Особенно интересным является то, что нейтрон в нецентросимметричном кристалле может оказываться в эффективном электрическом поле огромной величины (вплоть до Ю9 В/см), и естественно возникает очень привлекательная идея использовать такое поле для поиска ЭДМ нейтрона.

Первым, кто предложил использовать внутрикристаллические поля для исследования электромагнитного взаимодействия нейтрона был Шалл [1], который в 1963 г. показал, что даже для случая медленных нейтронов интерференция мнимой части ядерной и электромагнитной амплитуд приводят к спиновой зависимости интенсивности дифракционного отражения нейтронов поглощающим кристаллом. На важность учета нецентросимметричности было впервые обращено внимание в монографии Абова, Гулько и Крупчицкого [2] еще в 1966 г. Авторы первыми указали на возможность интерференции ядерной и электромагнитной (швингеровской) структурных амплитуд в нецентросиммет-ричных непоглощающих кристаллах и предложили использовать швин-геровское рассеяние для изучения структур, не обладающих центральной симметрией. До этого считалось, что электромагнитная амплитуда, поскольку она является чисто мнимой, может интерферировать только с мнимой частью ядерной амплитуды, то есть только в случае наличия поглощения в кристалле.

Насколько известно, идея использовать внутриатомное электрическое поле для поиска ЭДМ нейтрона была впервые высказана в обзоре [3] в 1972 году, однако тогда не было известно в каких кристаллах возможно наличие таких полей и существуют ли такие кристаллы в принципе.

В работе Форте [4] (1983 г.) проанализирована, связанная с интерференцией ядерной и электромагнитной амплитуд рассеяния, возможность поиска ЭДМ нейтрона по вращению спина при прохождении через нецентросимметричный кристалл в направлении, близком к брэг-говскому, в симметричной схеме дифракции по Брэггу. Дана следующая оценка угла поворота спина за счет ЭДМ нейтрона для плоскостей (210) и (211) кварца: <рЕВМ «0.7 х Ю-6 рад для кристалла толщиной в 1 см и для ?> = Ю-25 см. Более грубая оценка 1 рад/см) приведена для угла поворота за счет спин-орбитального взаимодействия.

Аналогичная, но более детальная теория эффектов вращения спина и спинового дихроизма при динамической дифракции нейтронов дана в работах Барышевского и Черепицы [5] (1985г.). В работе [6] тех же авторов обсуждается возможность поиска ЭДМ нейтрона по повороту спина при дифракции по Лауэ в нецентросимметричном поглощающем кристалле, причем вращение спина в этом случае обусловлено наличием поглощения в кристалле. В этих работах также оцениваются величины углов поворота спина за счет спин-орбитального взаимодействия и ЭДМ нейтрона для плоскости (211) карбида вольфрама (1УС). В частности, для угла поворота за счет ЭДМ (для ?)" = 10~25 е • см) в У/С получается [6] ц>Еом «2х Ю-6 рад/см.

В 1989 г. Форте и Цаен сообщили об экспериментальном обнаружении [7] вращение спина нейтрона за счет спин-орбитального (швинге-ровского) взаимодействия в нецентросимметричном кристалле кварца при брэгговской дифракции вблизи брэгговских направлений (при точном выполнении условия Брэгга эффект в этом случае исчезает), хотя сравнить рассчитанный и измеренный углы поворота спина нейтрона в таком кристалле авторы данной работы затруднились в силу большого различия между обнаруженным и ожидаемым эффектом, что было обусловлено, по-видимому, низким совершенством используемого кристалла. В том же журнале была опубликована наша работа [9], в которой по сдвигу маятниковой фазы при перевороте спина нейтрона при лауэвской дифракции поляризованных нейтронов (при точном выполнении условия Брэгга) было впервые измерено поле Ед для плоскости 1120 кристалла а-кварца. Экспериментальная величина этого поля совпала с расчетной и оказалась равной Еп^ = (2,10 ±0,12) х 108 В/см.

В 1988 — 1989 г. г. в цикле работ [8, 9, 10] нами было показано, что добавочная разность фаз ядерной и электромагнитной структурных амплитуд приводит к тому, что на нейтрон, движущийся в нецентро-симметричном монокристалле, действует постоянное электрическое поле, величина которого зависит от направления распространения нейтрона по отношению к кристаллографическим плоскостям и достигает максимумов при точном выполнении условий Брэгга. Основываясь на такой картине, оказалось возможным предсказать и достаточно просто описать ряд новых эффектов в динамической дифракции нейтронов по Лауэ, таких как смещение фазы маятниковой картины при перевороте спина нейтрона [9, 10], изменение контраста маятниковой картины вследствие вращения спина в этих полях [11], вращение спина нейтрона в прозрачном (т.е. непоглощающем в отличие от [5]) кристалле, а также деполяризацию нейтронного пучка [12, 13]. Основы теории данных явлений были изложены в докторской диссертации Федорова В. В. [14] (1995г).

В 1988 году по сдвигу маятниковой фазы за счет швингеровско-го взаимодействия при перевороте спина нейтрона при лауэвской дифракции поляризованных нейтронов (при точном выполнении условия Брэгга) было впервые измерено поле Ед [9, 10] для плоскости 1120 кристалла а-кварца. Экспериментальная величина этого поля совпала с расчетной и оказалась равной 0 = (2,10 ±0,12) х 108 В/см. Полученные результаты по первому прямому измерению электрического поля, действующему на нейтрон в кристалле кварца, легли в основу кандидатской диссертации автора [15] (1995г).

9.3.7 Выводы по анализу систематики.

Основной результат по анализу систематических эффектов, которые могут привести к возникновению ложного эффекта симулирующего ЭДМ нейтрона, заключается в том, что требования предъявляемые к эксперименту вполне достижимы при современном уровне развития экспериментальной техники, по крайней мере на первом этапе эксперимента при использовании кристалла кварца. Таким образом, точность достижимая на первом этапе, по-видимому, ограничена статистикой, и составляет (9.12) ол = 0.9- 10~25е-ст за сутки измерений, т. е за 100 дней эксперимента можно получить ал * 1 • 10−26е • см (9.29).

В Таблице 9.1 сведены основные систематические эффекты, которые могут симулировать ЭДМ нейтрона, и параметры экспериментальной установки, необходимые для достижения указанной выше чувствительности.

Заключение

.

В заключение сформулируем основные результаты, полученные в данной работе.

1. Проведено теоретическое и экспериментальное изучение динамической дифракции нейтронов по Лауэ в кристалле толщиной в несколько см при углах дифракции, близких к 90°. Исследование динамической дифракции проводилось в прямом продифрагиро-вавшем пучке.

Описаны и впервые обнаружены новые явления, подтверждающие предсказанную ранее возможность усиления эффекта от ЭДМ нейтрона при переходе к углам дифракции близким к 90°: а) эффект существенной временной задержки нейтрона в кристалле при углах дифракции близких к 90°. Показано, что время пребывания нейтрона в кристалле определяется не полной скоростью нейтронов ь, а ее составляющей, направленной вдоль кристаллографических плоскостей иц, и может быть увеличено более чем на порядок при приближении угла Брэгга к 90° (в частности, при ©-в = 87° ть = (0.82 ± 0.02) мс, что соответствует «д = (43 ± 1) м/с при у = 810 м/с).

Ь) явление деполяризации нейтронного пучка при дифракции в нецентросимметричном кристалле за счет швингеровского взаимодействия магнитного момента движущегося нейтрона с сильным внутрикристаллическим электрическим полем. Из величины деполяризации непосредственно следует значение электрического поля, действующего на дифрагирующий нейтрон.

7(1Ю) = (2.20 ± 0.07(0.20))108 В/см, (11.1).

Впервые получено экспериментальное подтверждение, что это поле сохраняет свою величину вплоть до угла Брэгга равного 87°.

2. Экспериментально продемонстрировано, что при дифракции по Лауэ величина Ет, определяющая чувствительность метода к ЭДМ нейтрона, достигает значения Ет ~ 0,2-Ю6 В-с/см, что сопоставимо с соответствующей величиной для метода УХИ Ет ~ ^0,6−106 В-с/см [39] и существенно превосходит ее для известного дифракционного эксперимента Шала и Натанса [56]) по поиску ЭДМ нейтрона.

3. Описан механизм возникновения и впервые обнаружен оптический эффект вращения спина при прохождении через нецентросиммет-ричный кристалл кварца за счет швингеровского взаимодействия магнитного момента движущегося нейтрона с внутрикристаллическим электрическим полем кристалла. Для кристалла а-кварца величина поворота спина имеет порядок ±-(1-г2) — Ю-4 рад/см, что соответствует значению электрического поля, действующего на нейтрон в кристалле, равному ±(0,5 -т- 1) • 105 В/см. Обнаруженный эффект вращения спина свидетельствует о наличии и других дифракционных поправок, которые приводят к ориентационной и энергетической зависимости коэффициента преломления нейтрона в нецентросимметричном кристалле.

4. На пучке холодных нейтронов реактора ИЛЛ (Гренобль, Франция) проведена серия тестовых экспериментов по изучению чувствительности кристалл-дифракционного метода к ЭДМ нейтрона. Используя высокий поток нейтронов реактора ИЛЛ, удалось достичь угла дифракции равного 88.5° для плоскости (110) кристалла кварца. При этом достигнуто рекордное время пребывания нейтрона в кристалле равное 1.7 мс, что соответствует эффективной скорости распространения нейтрона через кристалл равной ~20 м/с, в то время как скорость налетающего нейтрона была 810 м/с.

5. Проведен тестовый эксперимент по поиску ЭДМ нейтрона Лауэ дифракционным методом. Чувствительность в тестовом эксперименте составила 6-Ю-24 е-см за сутки измерений. Она может быть увеличена до 3- Ю-25 е-см за сутки измерений за счет увеличения светосилы установки (размера кристалла и оптимизации параметров). Это уже в два раза выше, чем чувствительность самого точного на данный момент магниторезонансного метода, основанного на использовании ультрахолодных нейтронов.

В тестовом эксперименте значение ЭДМ нейтрона составило.

0 = (З, 5±-1,6)10~23 ест, (11.2) что в 20 раз лучше результата полученного в единственном на сегодняшний момент кристалл-дифракционном эксперименте по поиску ЭДМ нейтрона [56].

6. Обнаружен новый эффект, заключающийся в том, что при дифракции по Лауэ поляризация продифрагировавшего пучка нейтронов чрезвычайно чувствительна к малейшей деформации кристалла, вызванной например градиентом температуры по кристаллу. Данный эффект возникает за счет разной заселенности двух веток дисперсионной поверхности при наличии деформации. В принципе, данный эффект можно использовать для регулировки величины и знака эффективного электрического поля, действующего на нейтрон в кристалле.

7. Обнаружен эффект вращения спина нейтрона при брэгговском отражении от деформированного нецентросимметричного кристалле. Эффект возникает при отражении нейтрона от деформированной области кристалла вблизи его задней поверхности за счет Швингеровского взаимодействия и пропорционален двойной толщине кристалла. Угол поворота спина нейтрона зависит от величины деформации кристалла в этой области. Эффективное электрическое поле, действующее на нейтрон на всем его пути туда и обратно, составляет ~ 10® В/см.

8. Предложена и детально проработана модификация ЭДМ-эксперимента ОЕОМЛ/, основанная на эффекте вращения спина при прохождении нейтрона через кристалл вблизи брэгговского отражения. Показано, что уже для существующих кристаллов кварца чувствительность может достигать ~ МО-26 есм за 100 суток измерений, и существует возможность улучшить эту величину еще в 4 раза, т. е на кристалле кварца достичь ~ 3 • Ю-27 есм за 100 суток измерений. Новая схема позволяет использовать другие нецентро-симмеричные кристаллы с возможно лучшими, чем у кристалла кварца параметрами.

9. Проведены расчеты некоторых нецентросимметричных кристаллов и показано, что их использование в данном эксперименте может улучшить чувствительность еще примерно на порядок по сравнению с кристаллом кварца, например, для кристаллов РЮ или BinSiOw.

Проведенные исследования позволили сформировать новое направление исследовании симметрий фундаментальных взаимодействий нейтрона с веществом. В частности, есть серьезные надежды на улучшение точности в эксперименте по поиску ЭДМ нейтрона. Кроме этого, стоит задумать над экспериментом по поиску Т нечетной корреляции ~ (.

В заключении хочется выразить благодарность Федорову В. В. за постоянный интерес и поддержку в работе. Своим коллегам по работе Лапину Е. Г., Румянцеву В. Л., Семенихину С. Ю., Кузнецову И. А. за активное участие на различных этапах работы. Тюнису A.B., Совестнову А. Е. за плодотворные дискуссии. Коллегам из ILL (Grenoble, France) Е. Lelievre-Berna, В. Несвижевскому, А. Петухову, Т. Soldner, F. Tasset за помощь в продении серии тестовых экспериментов на реакторе ILL. Персоналу реактора ВВР-М за то, что реактор до сих пор работает, что позволило провести всю экспериментальную часть исследований. Заведия А., Колывановой Н. за помощь в техническом и программном оснащении экспериментов. Курбакову А. И. и Соколову А. Е. за помощь в исследовании степени мозаичности использовавшихся монокристаллов. А так же всем сотрудникам ПИЯФ принимавшим участие в данной работе на разных ее этапах, а также в ее обсуждении.