Фотоядерные реакции: астрофизические приложения

    Изучение фотоядерных реакций имеет довольно разнообразные и многочисленные астрофизические приложения. Среди них можно перечислить следующие :

• Прецизионные и модельно независимые измерения нейтронного распределения в тяжелых ядрах (радиус и внешний слой при средней плотности = 0.1 Фм^-3) позволяют построить уравнение состояния нейтронных звезд при более высокой плотности, определить точку фазового перехода из жидкого в твердого состояния.

• Исследование реакций Кулоновского взаимодействия для оценки сечений радиационного захвата при энергиях ниже энергии связи нуклона для короткоживущих радоактивных ядер позволяет описать механизмы взрыва новых, сверхновых звезд и нейтронных звезд.

• Исследование фотонейтронных реакций на легких ядрах (D, Be) при энергии фотонов от 1 до 3 МэВ позволяет получить данные об обратных реакциях, существенных для ранней стадии образования вселенной.

• Изучение образования кислорода и сгорания гелия в звездах путем измерения реакции ¹⁶O(,)¹²C при энергии от 1 до 3 МэВ. Исследование нуклеосинтеза.

• Измерение тормозного спектра позволяет оценить тепловой спектр Планка для -процесса при температуре до 2.5 МэВ (2.5 биллионов градусов). Изучение флюоресценции при облучении ¹⁹⁶Au дает информацию о процессах электронного захвата в ядрах.

• Измерение анизотропии скорости света по отношению к диполю космического микроволнового фона.

    Рассмотрим более подробно два типа фотоядерных экспериментов с точки зрения получения астрофизической информации. Первый эксперимент был выполнен на Европейском источнике синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле в коллаборации ГРААЛЬ. Для определения анизотропии скорости света по отношению к диполю микроволнового фонового (реликтового) излучения был использован пучок гамма квантов, полученных методом обратного комптоновского рассеяния электронов на накопителе. Эта работа является аналогом классического опыта Майкельсона – Морли, но результат получен совершенно независимым способом, который позволил на 2 порядка улучшить точность. Второй пример касается исследования рассеяния электронов на ядрах, удаленных от области стабильности и который может быть выполнен методом встречных пучков электронов и тяжелых ионов (проект ELISe). Эти эксперименты готовятся в настоящее время в Дармштадте, где создаются охлажденные пучки радиоактивных нестабильных ионов и интенсивные пучки ускоренных электронов, которые будут использованы как встречные пучки.
    Анизотропия по отношению к диполю реликтового излучения с температурой Т имеет допплеровский характер и обусловлена тем, что земля движется с относительной скоростью v/c = 0.00122 по отношению к системе координат, связанной с этим реликтовым излучением. Предыдущие эксперименты дали верхний предел на величину анизотропии c/c на уровне 2^.10^-10 - (Мессбауровская лазерная спектроскопия), 3.10^-9 - Эксперименты на спутниках NASA, 3^.10^-7 - NASA Deep Space Network .

Рис. 16.1. Система мечения фотонов по энергии. 1 – вакуумный бокс, 2 – микростриповый кремниевый детектор, 3,4 – пластиковые счетчики. Расстояние от пучка до ближайшей, параллельной ему стенки - 1 см.

    Новый метод основан на измерении положения верхнего края спектра комптоновского излучения от ориентации установки (Земли) в пространстве. Схема комптоновского метода получения фотонов была описана в 6-ой главе.
    Энергия обратно рассеянных лазерных фотонов определяется уравнением:

(16.1)

где релятивистский фактор E_l/m_e10⁴, E_l - энергия лазерных фотонов, - угол вылета рассеянного фотона по отношению к направлению движения лазерных фотонов. Лоренц фактор для электрона

,

(16.2)

можно трансформировать в уравнение,

,

(16.3)

где для анизотропии появляется фактор 1/² , равный 10⁸ (на установке GRAAL энергия электронов в накопителе равна 6027.6+0.6 МэВ, длина волны лазера 514 и 351 нм (для зеленой и ультрафиолетовой линии, соответственно). Энергия комптоновских фотонов измерялась с помощью системы мечения, расположенной после дипольного магнита (см. рис.16.1).
    Координаты электронов измерялись с помощью кремниевого микрострипового детектора толщиной 500 мкм (128 стрипов шириной 300 мкм). Два пластиковых счетчика длиной 38,4 мм и 8 пластиковых счетчиков длиной 8 мм (лесенка) обеспечивали быстрый стартовый сигнал для запуска временных измерений.

Результаты измерений за 4 года набора статистики показаны в табл. 16.1:

    В результате этих измерений получено значение с/с = 3.10^-12 , которое по точности на два порядка превосходит имевшиеся до сих пор результаты.
    Второй пример приложения фотоядерных исследований к астрофизическим задачам можно видеть на примере эксперимента по рассеянию электронов на нестабильных экзотических ядрах (проект ELISe – Electron – Ion Scattering), который реализуется в GSI (Дармштадт, Германия). Основная задача этого проекта – исследование упругого, квазиупругого и неупругого рассеяния электронов на ядрах вполне традиционная. Однако, использование в качестве мишеней пучков тяжелых ионов, позволит исследовать свойства ядер, которые могут существовать только в экстремальных условиях. При низких энергиях виртуальных фотонов (E < 1 МэВ) основной вклад в неупругое рассеяние вносят фотоядерные сечения (,n) или (,p). Поэтому, в рассеянии электронов можно изучать ядерные реакции, которые могут дать понимание the r- и p-процессов для ядер, удаленных от области стабильности.
    Схема установки для исследования рассеяния электронов на встречных пучка тяжелых ионов и ее параметры приведены на рис. 16.2 и в таблице 16.2.

Рис. 16.2. Схема эксперимента ELISe. (eA – Коллайдер).

Таблица 16.2

Один из самых важных параметров этой установки, особенно в плане астрофизических приложений, является светимость, которая определяет выход продуктов соответствующей реакции. На рис.16.3 показаны расчетные (ожидаемые) светимости в эксперименте ELISe. Расчеты проведены для каждого изотопа с учетом ядерных и атомных времен жизни и с учетом возможных параметров пучков.

Рис. 16.3. Ожидаемые светимости в эксперименте ELISe.

    Рассеяние электронов с энергией около 500 МэВ на встречных пучках тяжелых ионов дает уникальную возможность исследовать свойства ядер, удаленных от области стабильности, включая измерение зарядовой и нейтронной плотности, радиусов и формы ядер, кластерных эффектов, и др.
    Все существующие ядерные модели были построены на изучении имеющихся в природе 286 стабильных изотопов. Область нестабильных изотопов, доступных к изучению на встречных пучках, может быть расширена до 4000 изотопов (см. рис.16.3). При этом появляется возможность получать новую информацию, недоступную в районе стабильности, включая новые разновидности радиоактивного распада, высокоэнергетичный - распад, новые области деформации и дважды магических ядер и др.
    Исследования ядерной структуры нейтронно избыточных ядер представляет интерес с точки зрения астрофизики. Например, механизмы образования изотопов гелия на ранней стадии существования вселенной можно изучать, используя пучки нестабильных ядер ⁶Не и ⁸Не. Свойства изотопов ⁶Не изучались недавно методом кулоновской диссоциации и методом лазерной спектроскопии. Использование для этой цели рассеяния электронов может дать более простые и надежные в интерпретации результаты, потому что метод рассеяния электронов апробирован на стабильных ядрах с высокой точностью и доказал свои преимущества в изучении ядерной структуры.
    Для более тяжелых нейтронно-избыточных ядер можно построить уравнение состояния асимметричной нейтрон-протонной ядерной материи. Для нейтронной звезды и нейтроноизбыточного ядра уравнения состояния очень похожи, потому что плотности этих состояний отличаются незначительно (у нейтронной звезды плотность на 30% выше, чем у ядра). Радиус нейтронной звезды определяется соотношением сил гравитации и отталкивания. В нейтроноизбыточном ядре нейтроны концентрируются на поверхности, образуя нейтронное гало. Таким образом, вместо гравитации на радиус ядра влияют силы поверхностного натяжения. Сравнивая уравнения состояния нейтронных звезд и нейтронно-избыточных ядер можно получать информацию о фазовых переходах материи в экзотические состояния, включая каонный конденсат, цветные сверхпроводники и др.
    Изучение корреляций нуклонов в экзотических ядрах имеет отношение к проблеме существования кварк – глюонной плазмы, потому что элементарными многокварковыми состояниями можно было бы считать дибарионы или пента-кварки , поиск которых в обычных ядрах ведется давно, но которые до сих пор не обнаружены.
    Открытым остается вопрос о границах применимости существующих ядерных моделей. Например, оболочечная модель не может объяснить обнаружения новых магических ядер, которые обладают свойствами классических магических ядер, но имеют числа нуклонов, отличающиеся от обычных значений (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126). Возможно, это связано либо с проявлением сверхтекучести (парных корреляций) в ядрах, либо протон-нейтронного спаривания, которое также формирует замкнутые оболочки. Исследование различных характеристик (в частности, радиусов) новых дважды магических ядер даст новые критерии для развития ядерных моделей.
    В 2006 году проект ELISe вышел на стадию экспериментальной подготовки. Кроме создания накопителя электронов, ведется работа по изготовлению электронного спектрометра, состоящего из двух отклоняющих магнитов и нескольких координатных дрейфовых камер. Особенностью этого спектрометра является высокое разрешение (10^-4) по импульсу при большом телесном угле (+1.5 mr - +150 mr). При этом потребуется также решить рад технических задач, связанных с особенностью эксперимента (встречные пучки), что касается обеспечения высокого вакуума, достаточно протяженной областью взаимодействия и т.д. Однако, можно с уверенностью сказать, что уже в ближайшие годы здесь можно ожидать новых интересных результатов.

 Дополнительная литература:

1.  V.G.Nedorezov. Photonuclear Reactions: Astrophysics Implications. Proc. Of the Int. Conference on Nuclear and Radiation Physics, Almata 2005, p.153 .
2. В.А.Карнаухов, Л.А.Петров. Ядра, удаленные от линии бета-стабильности. Энергоиздат, 1981 г. 198 стр.

_24.04.2014