О бериллии седьмом и не только...

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 23 (2001)

На одном из научно-технических советов Лаборатории высоких энергий специалистом по компьютерным технологиям была процитирована лукавая острота: “Ядерная физика – наука XX века”. В целом это замечание провоцирует дискуссию о роли ядерной физики как об одном из стратегических направлений интеллектуального прогресса. Автору этих строк хотелось бы поделиться своими размышлениями о том, стоит ли ждать принципиально новых результатов в физике ядра, и о значимости таких исследований.

Ядерные пришельцы

В наши дни достаточно широко признается, что одним из основных мотивов развития физики ядра становится масштабная задача осознания богатства всей таблицы изотопов как ступенек в творении окружающего мира. Возникает волнующая ситуация, когда специалисты по физике атомного ядра должны найти общий язык с исследователями космоса. Философия физики опирается на веру в то, что Творец - разумный хозяин. Если уж такое разнообразие изотопов существует, то оно необходимо для творения мира стабильных ядер, частью которого мы являемся. Поэтому представляется, что радиоактивные ядра, резонансные состояния ядер – не просто шлейф отходов при работе звездных реакторов, взрывов звезд, а необходимые “станции ожидания” для генерации стабильных ядер. Таким образом, законы микромира, объекты микрофизики своим существованием диктуют устройство мира в его грандиозных масштабах.

Спустившись на Землю, скажем, что наблюдения за ядерной активностью Солнца, включая радиоактивные ядра, могут подсказать неожиданные решения в области термоядерного синтеза энергии для нужд человечества. Значимость запасов изотопа гелия-3 на Луне как источника термоядерной энергии волнует сейчас практические умы специалистов в области космонавтики. А этих запасов хватит на 5 тысяч лет современного земного потребления. Не будем чрезмерными скептиками, помня о том, что ядерной энергетике всего-то полвека. Ведь и великий Эрнест Резерфорд в начале века сравнивал полезность ядерной энергии с лунным светом.

Эти утверждения подкрепляются наблюдениями последних лет на спутниках ACE и SOHO. Их спектрометры анализируют изотопный и ионный состав галактических и солнечных частиц. Получен и продолжает поступать недоступный ранее эмпирический материал. Отметим среди важнейших новостей, что при изотопном анализе наблюдаются радиоактивные изотопы алюминия, хлора, марганца с периодами полураспада порядка миллионов лет, а также изотоп бериллий-7 – свидетель ядерных превращений на Солнце. Таким образом, Природа снабдила нас радиоактивными “часами” для анализа астрофизических событий.

Представляет огромный интерес выяснение механизмов ускорения ядер до релятивистских энергий в Галактике – коллективные в электронной плазме, в вихревых электрических полях, возникающих при вращении поляризованных нейтронных звезд, и других. Идея возникновения и ускорения ядер тяжелее железа (трансжелезных) во вспышках сверхновых стала основой предложения по исследованию ядер вплоть до предельных энергий на борту Международной космической станции (эксперимент АССЕСС). Связь оптических и ядерных измерений в космосе может пролить свет на процессы, происходящие в недрах сверхновых.

Исследования потоков релятивистских ядер в космосе представляют и практический интерес для космонавтики. Галактические ядра, проходя через микросхемы памяти бортовых компьютеров, создают опасные искажения управляющей информации. Возможно, этим объясняется, например, утрата связи с российским комическим аппаратом МАРС-96, недавняя перезагрузка трех бортовых компьютеров МКС в период солнечной активности этой весной и ряд проходивших ранее проблем с советскими межпланетными аппаратами. Упомянув Интернет в качестве основного предполагаемого способа межпланетных коммуникаций и связи с космическими аппаратами, отметим, что исследование радиационной стабильности космических серверов создаст серьезный и стабильный спрос на наземное тестирование аппаратуры в пучках релятивистских ядер.

Радиоактивные ядра – протонная граница

Изучение структуры легких ядер имеет несомненную и глубокую связь с ядерной астрофизикой. Исследования ядер, лежащих в области границы стабильности, сформировали в последние годы актуальное направление исследований – физика ядер с экзотической структурой. Один из признанных лидеров этих исследований - Лаборатория ядерных реакций имени Г.Н.Флерова. Здесь установлены новые явления в структуре легких ядер и протекании ядерных реакций. В этой области наблюдаются аномально большие радиусы ядер, образование разделенных в пространстве нуклонных ядерных кластеров. Малые энергии связи ядерных кластеров позволяют определить структуру таких ядер как молекулярно-подобную. В основном, это радиоактивные ядра, а из стабильных ядер их ближайшие соседи – дейтрон, изотопы гелия-3 и лития-6.

Большие успехи достигнуты в изучении структуры ядер с избытком и предельным числом нейтронов. Не исключено, что нейтронное гало у легких ядер может играть роль катализатора звездных термоядерных процессов – ведь таким образом снижается проблема кулоновского отталкивания при слиянии. В свою очередь, это ведет к упрощению цепочки генерации изотопов углерода, кислорода, азота – важнейшей ступеньки к более тяжелым элементам. Например, слияние двух изотопов гелия-6, имеющих по паре периферийных нейтронов, ведет к образованию изотопа, который быстро распадается в основной изотоп углерода. Это своего рода “черный вход” в известный цикл термоядерного сгорания ядер водорода, углерода, азота, кислорода.

Экспериментальные исследования структуры ядер с избытком протонов (или дефицитом нейтронов) практически только планируются. Основной целью таких экспериментов является определение протонной границы стабильности ядер, изучение структурной связи избыточных протонов, изучение влияния заряда на образование кластерных структур и на образование протонного гало, а также изучение нестабильных остаточных ядер.

Структура таких ядер может оказаться еще одним ключом к пониманию процессов синтеза элементов в звездах, на Солнце, а также в изначальных процессах нуклеосинтеза при возникновении Вселенной. Она оказывается в основе так называемых быстрых процессов захвата протонов. Наличие протонного гало (сильно удаленного от остова ядра протона) становится “трамплином ” генерации изотопов при продвижении вдоль границы протонной стабильности, с последующим “десантированием” (распадом) в область стабильных изотопов. Главное преимущество перед механизмом быстрого захвата нейтронов – стабильность протона, а, значит, уход от требования взрывного характера звездного термоядерного процесса.

Ядерная физика на синхротронах

Эксперименты с пучками ядер при энергии порядка нескольких ГэВ признаются одним из наиболее перспективных путей понимания основных свойств и внутренней структуры радиоактивных и несвязных ядер. Используя такие пучки, можно произвести “на лету” пучки изотопов путем реакций развала, обмена зарядом или деления. В таком подходе отсутствует ограничение на время жизни исследуемого релятивистского нуклида в практически важном диапазоне. Методическим преимуществом для регистрации протоноизбыточных ядер является снижение эффектов ионизационных потерь в релятивистской области.

Такой выбор развития ускорительной базы ГСИ (Дармштадт) был недавно представлен проф. В.Хеннингом на недавнем общеинститутском семинаре. Основой применения такого подхода является явление предельной фрагментации ядер. Оно установлено в ранних работах по релятивистской ядерной физике на синхрофазотроне. В целом картина фрагментации (рассыпания) одного из сталкивающихся ядер имеет ослабленную зависимость от характеристик или фрагментации другого ядра. Исследования фрагментации релятивистских ядер могут эффективно дополнить классические эксперименты по развалу ядер, используемых как мишень. В таком подходе порог детектирования близок к нулю, что делает возможным исследовать процессы фрагментации при весьма слабом возмущении ядра.

Экспериментальный подход, базирующийся на регистрации фрагментов ядра-снаряда, выдвигает ультимативное требование к методике измерений, обеспечивающей предельно возможное угловое разрешение и идентификацию фрагментов в узком переднем конусе. Кроме того, процесс фрагментации ведет к заметно меньшей ионизации, производимой продуктами реакции, по сравнению с сигналом от первичного ядра. Это обстоятельство накладывает особое требование на широту диапазона чувствительности от начального ядра вплоть до частиц с минимальной ионизацией. Таковы специфические требования к эксперименту при выборе синхротрона как инструмента исследования структуры ядра. Осуществление измерений в полном телесном угле уже не имеет такое значение, как предельное угловое разрешение в узком угловом конусе релятивистской фрагментации.

Экзотические ядра в эмульсии

На недавнем рабочем совещания по эмульсионной методике, прошедшем в конференц-зале ЛВЭ, обсуждалось дальнейшее использование этой классической методики детектирования частиц на пучках релятивистских ядер нуклотрона. Нам хотелось бы привлечь внимание читателей к некоторым новым постановкам экспериментов, предлагаемых энтузиастами этой методики.

Методика ядерных эмульсий всегда обеспечивала обзорные наблюдения по физике микромира благодаря высокой достоверности наблюдаемых событий, прекрасному пространственному разрешению и максимально полной наблюдаемости следов заряженных частиц. В ряде важных случаев она позволяет измерять импульсы, идентифицировать частицы. Поэтому именно она представляется эффективным способом для изучения процессов релятивистской фрагментации благодаря высокому разрешению эмульсий и возможности наблюдения реакций в полной геометрии. Особое преимущество имеет наблюдение в эмульсиях ядер с дефицитом нейтронов, благодаря более полной наблюдаемости продуктов реакции.

Физика релятивистских ядер сохраняет эту методику в своем арсенале экспериментальных средств. За последнее десятилетие международное сотрудничество EMU, объединившее физиков-эмульсионщиков пяти континентов, на пучках релятивистских ядер свинца ЦЕРН получило обширный обзорный материал по глобальным особенностям соударения. В рамках поиска эффектов образования кварк-глюонной плазмы эта информация позволила провести настройку теоретических моделей, описывающих соударения ядер. Не в последнюю очередь это было сделано благодаря вкладу дубненских участников сотрудничества. Он включал в себя не только просмотр, но и химическую обработку облученного материала в ЛВЭ. Один из практических итогов состоит в том, что классическая методика сохранила “форму” к моменту получения выведенного пучка на нуклотроне. Сама физическая программа EMU найдет продолжение и на нуклотроне.

Использование экспериментальной культуры эмульсий – основа для нового исследования в области классической физики атомного ядра на нуклотроне. Важным импульсом для осознания указанных выше возможностей при исследовании внутренней структуры легких ядер стали результаты по взаимодействиям релятивистских ядер лития-6 с ядрами эмульсии, полученные группами Каирского университета, Физического института имени П.Н.Лебедева РАН (Москва) и Петербургского института ядерной физики РАН (Гатчина). Опишем результаты этого исследования, опираясь на работу группы профессора М.И.Адамовича из ФИАН.

Стопка из эмульсионных слоев облучалась пучком ядер лития-6 на синхрофазотроне. Во время облучения пучок направлялся параллельно плоскости эмульсии. Первой интригующей особенностью, обнаруженной тремя группами, оказался резко уменьшенный средний пробег ядер лития-6 по сравнению с ожидавшимся значением. Полученное значение соответствовало бы скорее ядру с массовым числом, равным 11. Это указывает на необычно большой радиус распределения нуклонов в ядре лития-6.

Другая отличительная особенность ядра лития-6 была получена посредством анализа многократного рассеяния треков. Во-первых, установлен необычно высокий выход релятивистских дейтронов. Показано, что фрагментация ядер лития-6 в форме кластеров гелия-3 и трития (водород-3) на порядок слабее, чем структура, сформированная альфа-частицей (гелий-4) и дейтроном (водород-2). Это объясняет усиленный выход дейтронов. Пониженное значение среднего поперечного импульса a -частиц является еще одним указанием на увеличенный размер ядер лития-6

Как “золотые” можно рассматривать события когерентного развала ядер лития-6, не сопровождаемые возбуждением ядра мишени. Эта топология демонстрирует кластерную структуру лития-6 наиболее очевидным образом. В этих событиях стало возможным восстановить уровни возбуждения ядра кроме запрещенных законом сохранения изотопического спина в сильных взаимодействиях. Это очень интересная иллюстрация к так называемой изотопической фильтрации при генерации легких ядер в звездах, а, возможно, и объяснение так называемой “литиевой щели” в распространенности элементов.

Обсуждаемое изучение ядра лития-6 указало на высокую вероятность процесса его перезарядки в изотоп гелия-6. Как самый первый результат анализ фрагментации гелия-6 в альфа-частицы указывает на существенно более узкое распределение по поперечному импульсу случая фрагментации ядра лития-6, а, значит, и на более широкое пространственное распределение. Кроме того, интересно отметить, что впервые в эмульсии наблюдались события перезарядки трития в изотоп гелий-3. В настоящее время этот анализ продолжается группами ЛВЭ и ФИАН.

Эмульсионная методика может стать важным источником достаточно глубокой информации по проблемам кластеризации и протонного гало в нестабильных ядрах. Поиск кластерной структуры изотопа бериллия-7, проявляющейся в вероятностях различных каналов когерентной диссоциации, представляется следующим логическим шагом. Информация по ядерной фрагментации может обеспечить ценные данные по свойствам несвязанных ядер с массовыми числами 5 и 8, являющихся важными “посредниками” в звездном нуклеосинтезе. Стабильных ядер с таким весом не существует.

По итогам совещание было принято решение о подготовке проекта облучения эмульсий с обязывающим названием – “Беккерель”. Это название предложено не только в честь великого основателя фотографического метода наблюдения радиоактивности. Оно содержит ключевую цель проекта в английском варианте названия – поиск кластерной структуры изотопов бериллия в процессах релятивистской фрагментации.

Вторичные пучки ускорителя релятивистских ядер

В настоящее время в Лаборатории высоких энергий активно обсуждаются предложения по формированию релятивистских пучков радиоактивных изотопов бериллия, бора, углерода, азота. Подход, основанный на использовании зарядово-обменного процесса вместо процесса развала ядер, представляется плодотворным при энергии пучка несколько ГэВ на нуклон. В этом случае сохраняется массовое число начального ядра и, возможно, задается кластерный характер его внутренней структуры. Следующие процессы могут быть использованы для получения нестабильных релятивистских ядер литий-7 – бериллий-7, бор-9 – углерод-9, и т.п. Преимуществом при формировании вторичных пучков в сторону нарастания заряда является уменьшение в магнитном канале относительного фона других фрагментов. Повторимся, сказав, что эмульсионная методика будет иметь преимущества для изучения этих ядер благодаря наиболее полному наблюдению конечных состояний.

Среди возможных применений такого подхода можно рассматривать формирование пучка на двух последовательных перезарядках (двух мишенях), например, например, бор-11 – углерод-11 – азот-11 (пересечение границы стабильности) или углерод-12 – бор-12 – бериллий-12. Последняя цепочка может привести к наблюдению процесса когерентной диссоциации бериллия-12 в пару ядер гелия-6. Этот процесс исключительно ценен для проверки гипотезы о ядерно-молекулярной природе этого нуклида. Задел по идентификации ⁶He в эмульсии здесь будет как нельзя более кстати.

Интересный пучок ядер ⁸B может быть получен в реакциях развала стабильных изотопов, например, бора. Будучи предоставлен для исследований эмульсионной методикой, такой пучок может дать больше ясности в проблеме существования протонного гало. Он позволит выполнить измерения относительной силы процессов диссоциации ⁸B в ⁷Be и протон к другим возможным. Вслед за ним пучок изотопа ⁹С...

Словом, комбинация новых пучков и классической методики может принести к новым интригующим и доказательным находкам. Наиболее актуальная проблема – это получение вторичных нестабильных пучков ядер нуклотрона в зале выведенных пучков. Тем не менее, не дожидаясь решения этой проблемы, уже сейчас на нуклотроне можно исследовать кластерную структуру стабильных изотопов бора, пропущенных ранее.

Ядерная физика и распознавание образов

У скептиков есть два аргумента по поводу дальнейшего использования ядерных эмульсий – их стоимость и, главное, трудоемкость обработки. Однако и в этих вопросах жизнь, как говорится, не стоит на месте.

Расцвет использования эмульсий пришелся на пятидесятые годы, когда были получены пионерские результаты по физике элементарных частиц. Прежде всего была решена проблема получения толстых слоев эмульсии (600 микрон), позволивших получать объемные образы событий. А высокая однородность облучаемого материала открыла возможности спектрометрии и идентификации частиц. Советские специалисты решили эту проблему самостоятельно. По существу, достигнутый уровень не преодолен и поныне. Это сложившаяся культура.

В настоящее время эмульсии изготавливаются японской фирмой “ФУДЖИ” и Московским НИИХимфотопроект. Классик в этой области фирма “ИЛЬФОРД” уже забыла технологию. Когда потребности исследований по физики ядра вызовут оживление интереса к эмульсиям, удовлетворить его будет непросто. Разумная поддержка этой технологии в рамках актуальных исследований позволит сохранить фотографический метод регистрации частиц к периоду автоматического анализа изображений следов частиц. И он уже не за горами.

Быстро прогрессирующее применение автоматических сканирующих микроскопов и программирования распознавания образов позволяет ожидать возрождения этой классической экспериментальной методики на совершенно новом уровне компьютерных технологий. В настоящее время в ФИАН создается полностью автоматизированный измерительный комплекс для изучения процессов в физике частиц высоких энергий - ПАВИКОМ (руководитель работы академик РАН Е.Л.Фейнберг). ПАВИКОМ создается для повышения эффективности экспериментальных исследований, проводимых при помощи эмульсионных и других трековых детекторов рядом институтов страны в ядерной физике, физике космических лучей, а также в работах по поиску осцилляций нейтрино. Оптические изображения на установках регистрируются при помощи CCD-камер, оцифровываются и вводятся в компьютер. Таким образом, обработка ядерных эмульсий производится в полностью автоматическом режиме без применения визуального труда микроскописта.

По сравнению с "полуавтоматическими микроскопами", использовавшимися до сих пор, главное преимущество ПАВИКОМ - возможность проводить измерения следов заряженных частиц в ядерных фотоэмульсиях, следов ядер высоких энергий в рентгеновских пленках и в твердотельных детекторах при полной автоматизации процесса измерений без применения крайне трудоемкого визуального труда микроскопистов. Причем обработка экспериментального материала ускоряется приблизительно в тысячу раз. Это оказалось возможным благодаря применению современных достижений прецизионной механики и возможностям средств вычислительной техники и программного математического обеспечения. В самые последние годы подобного типа полные автоматы запущены или запускаются в ЦЕРН, научных центрах Японии, Италии и в некоторых других странах.

В России ПАВИКОМ - единственный комплекс подобного типа. Его создание означает революционное преобразование экспериментов, использующих эмульсионную технику регистрации быстрых частиц. При этом его возможности таковы, что он не только полностью удовлетворяет потребности упомянутых исследований ФИАН, но и предоставляет возможности для работы других российских лабораторий и институтов, так что фактически он играет роль центра коллективного пользования. В тех исследованиях, которые ведутся в рамках международных коллабораций, только благодаря ПАВИКОМу российские участники становятся равноправными партнерами, а не выполняют второстепенные работы. В перспективе обрабатывающий центр такого типа может стать источником “экспорта информации” для “физики на расстоянии” (вспомним это определение из 70-х).

И у групп ЛВЭ был уже опыт обращения к возможностям ПАВИКОМа. Первый раз - для анализа лавсановых пленочных детекторов, облученных на установке “Энергия” для получения пространственной картины потока нейтронов в массивной мишени. Применение трековых детекторов на основе лавсана вызвано высоким уровнем электромагнитного фона при работе синхрофазотрона, высокой эффективностью регистрации осколков деления лавсаном, его низким собственным фоном и относительной простотой технологии обработки.

Группой ПАВИКОМа (руководитель Н.Г.Полухина) была разработана и широко применяется методика автоматического распознания и подсчета треков на пленках большой площади. ПАВИКОМ, предназначенный для обработки материалов трековых детекторов, повышает ее скорость в сотни и тысячи раз. Распознание таких треков, выделение их на фоне дефектов пленки и их подсчет - не трудная задача. Достигнутая эффективность работы программы подсчета следов от осколков деления не менее 95 процентов. Это указывает на принципиальную применимость методики автоматизированного просмотра. Был получен значительный объем материала при облучении уран-свинцовой сборки. В настоящее время выполнено его компьютерное распознавание и ведется физический анализ.

Группа ФИАН выполнила и опытное сканирование редких событий когерентной диссоциации ядер лития-6 в эмульсии. При сканировании слои эмульсии разделялись на несколько зон резкого изображения. Итогом стала съемка своеобразного фильма из десятков кадров, отражающих движение оптики микроскопа в трех измерениях. Уже сейчас можно сказать, что демонстрация таких трехмерных образов редких событий становится частью научной аргументации. Возможно, их использование и в подлинно электронных журналах и в ссылках сети Интернет.

Актуальной задачей становится разработка алгоритмов проводки треков и точных координатных измерений. Здесь требуется привлечение программистов, специализирующихся в области алгоритмов распознавания образов. Задачи релятивистской ядерной физики и ядерной астрофизики могут продвинуть прогресс компьютерных технологий, опираясь на объективно существующие проблемы.

Вместо эпилога

Таким образом, постановка ядернофизических задач астрофизического значения, использование новых пучков нового ускорителя, сохранение классической экспериментальной культуры, использование достижений компьютерной революции – вот те составляющие, которые сделают ядерную физику наукой XXI века для ОИЯИ. Нам представляется, что, несмотря на все трудности прошедшего десятилетия, Институт сохранил возможности для проведения нетривиальных исследований по ядерной физике на собственной ускорительной базе, привлечения ярких людей из стран-участниц, особенно молодежи. И нет оснований для уныния.

...Александр Михайлович Балдин любил повторять слова Блаженного Августина, о том, что уныние есть угода дьяволу. А угождать мы ему не собираемся. Ведь так?