Экзотические ядра: результаты, проекты, решения

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна" N 45 (2004)

Получение и изучение свойств ядер, удаленных от линии стабильности, - одно из самых интересных и интенсивно развивающихся научных направлений в мире. Множество совещаний и конференций, где обсуждаются такие исследования, проходит ежегодно и ежемесячно в разных странах мира, но, пожалуй, самым авторитетным является EXON - Международный симпозиум по экзотическим ядрам. В этом году он проходил в одном из красивейших исторических мест России - Петергофе. 220 участников, 162 доклада из 23 стран - свидетельство актуальности тематики. А состав организаторов - Лаборатория ядерных реакций имени Г.Н.Флерова ОИЯИ, RIKEN (Япония), GANIL (Франция), GSI (Германия) - подтверждение лидерских позиций данных центров в этом направлении. О том, что именно обсуждалось на EXON-2004, мы попросили рассказать его участников.

Синтез и свойства ядер легких элементов...

    Тематику симпозиума можно было условно разделить на следующие части: синтез и свойства нейтронноизбыточных ядер легких и легчайших элементов, синтез и свойства сверхтяжелых элементов, редкие процессы и распады, пучки радиоактивных ядер, механизм ядерных реакций с пучками тяжелых ионов, а также проблемы организации научных исследований.
    Особенный интерес к синтезу новых ядер легких элементов подтвердило большое количество докладов по этой тематике. В области нейтронно-избыточных ядер для легких элементов уже достигнута граница нуклонной стабильности, здесь ведутся поиски квазистационарных состояний в супернейтронноизбыточных системах. Значительные успехи достигнуты в ЛЯР ОИЯИ. На ускорителях ЛЯР была получена информация о резонансных состояниях в системе ⁴Н и ⁵Н. В совместном эксперименте ЛЯР ОИЯИ - GANIL - RIKEN были проведены исследования сверхтяжелых изотопов водорода и гелия.
    Интересная информация была получена в экспериментах, проведенных в GANIL по поиску тетранейтрона. За 30 лет исследований было несколько сообщений об открытии системы из четырех нейтронов. Последующие эксперименты эти результаты не подтвердили. Между тем исследование подобные систем имеет большое значение для понимания повышения стабильности ядер с увеличением числа нейтронов (предсказано существование нейтронных систем из 20 и 40 нейтронов), что, в свою очередь, представляет интерес для астрофизики.
    Принципиально новая и несколько неожиданная информация была получена для нейтронноизбыточных ядер, расположенных вблизи магических нейтронных чисел N=20 и N=28. Оказалось, что число нейтронов вблизи этих магических чисел уже не играет стабилизирующей роли. Здесь обнаружены новые магические числа: 6, 16 и 32, причем большое значение в стабильности этих ядер играет деформация. Исследованию таких состояний ядер посвящено большое число теоретических и экспериментальных работ. Прямое измерение деформаций ядер вблизи N=20 (Mg³²), подтвердило сильную деформацию в этом ядре. Здесь впервые был использован метод, основанный на ядерном магнитном резонансе, а также методы прецизионной гамма-спектроскопии с использованием таких детекторов как EXOCAM, AGATA и EUROGAM. Были также проведены прямые измерения масс ядер в районе N=20-28.
    Необычные свойства экзотические ядра проявляют и в реакциях взаимодействия с другими ядрами. Здесь в последнее время был получен ряд интересных результатов при исследовании функций возбуждения полных сечений реакций взаимодействия, реакций слияния-деления и испарения частиц из возбужденного составного ядра. Эти реакции исследовались на пучках радиоактивных ядер ⁶He, ⁸He, ¹⁸F, ¹¹Be и др. Наблюдалось существенное увеличение сечения слияния при энергиях вблизи барьера. При больших энергиях для слабосвязанных ядер наблюдалось значительное уменьшение полных сечений реакций из-за развала взаимодействующих ядер. Такой необычный результат подтверждает наличие "шубы" из двух взаимодействующих нейтронов в ядре ⁶Не. Это направление исследований реакции с экзотическими ядрами является одним из основных в программе фабрик радиоактивных пучков.

...и сверхтяжелых

    Интенсивно проводились в последние несколько лет эксперименты по синтезу новых трансфермиевых элементов и изучению их свойств. Поиск новых сверхтяжелых элементов ведется широким фронтом в четырех ведущих лабораториях - Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова в Дубне, в Национальном центре GANIL во Франции, в GSI, Германии и RIKEN в Японии. На симпозиум были представлены последние результаты, полученные в Дубне по синтезу изотопов 112, 113, 114, 115, 116 и 118-го элементов, полученных в реакциях слияния ядер ⁴⁸Са с мишенями ²³⁸U, ^242,244Pu, ²⁴³Am, ²⁴⁹Cf соответственно. Эти результаты убедительно показали влияние сферической нейтронной оболочки N=184 на стабильность сверхтяжелых ядер. Экспериментальная программа GSI (Дармштадт) направлена на синтез новых изотопов тяжелых элементов в реакциях с урановой мишенью с использованием новой установки Ship-Ttrap для прямого измерения масс ядер.
    В исследования по синтезу новых сверхтяжелых ядер включились японские физики из научного центра RIKEN. Здесь с использованием газонаполненного сепаратора GARIS был получен и идентифицирован изотоп ²⁷⁷112, а соответственно определены свойства продуктов его -распада. Планируются эксперименты по синтезу более тяжелых элементов, в частности, 113-го.
    Попытки французской группы из GANIL синтезировать 114-й элемент позволили получить лишь верхнюю границу для сечения его образования. Таким образом, эксперименты по синтезу новых сверхтяжелых элементов занимают значительную часть программы исследований ведущих научных центров. В этом направлении важным шагом в дальнейшем понимании свойств сверхтяжелых элементов явились эксперименты по изучению структуры трансфермиевых ядер. Начаты эксперименты по измерению гамма-переходов в ядрах 101, 102 и 103-го элементов. Эти эксперименты ведутся в Университете Ювяскюля (Финляндия), GANIL (Франция) и в ЛЯР ОИЯИ.
    Важный шаг в химической идентификации сверхтяжелых элементов и определение их места в периодической системе элементов Менделеева был сделан радиохимиками Дубны, технического университета в Мюнхене и GSI, которые провели первые эксперименты по определению химических свойств 105 и 112 элементов. Это важное направление исследований свойств сверхтяжелых элементов предполагается продолжить в широкой коллаборации физиков и радиохимиков ведущих центров.

Новые установки - новые проекты

    Много докладов было посвящено будущим установкам и методикам синтеза и исследования свойств экзотических ядер, а также реализации больших проектов ускорительных комплексов для получения пучков радиоактивных ядер. В создание новых фабрик радиоактивных пучков вкладываются большие средства и создаются они при поддержке международных коллабораций.
    Новый ускорительный комплекс NUSTAR в GSI, включающий в себя экспериментальные установки для прецизионных исследований ядерной структуры, создается на основе международных коллабораций. В RIKEN создается новый ускорительный комплекс, который будет использоваться для получения интенсивных пучков стабильных и радиоактивных ядер и исследования с их помощью структуры экзотических ядер. Проект предполагается реализовать к 2010 году.
    Ведется развитие ускорительного комплекса GANIL для получения радиоактивных пучков. На комплексе SPIRAL на GANIL начаты первые эксперименты на интенсивных пучках легких радиоактивных ядер, с помощью которых на существующих экспериментальных установках GANIL уже получены первые интересные результаты по структуре экзотических ядер и измерены характеристики реакций с пучками этих ядер. Начал разрабатываться проект SPIIRAL-2, на котором планируется получить в 2010 году первые пучки тяжелых радиоактивных ядер.
    В ближайшее время начнутся эксперименты на пучках ⁶Не с интенсивностью до 10⁹ с^-1, на ускорительном комплексе DRIBs в Дубне. Начата разработка проекта DRIBs-2 по ускорению осколков фотоделения. На ускорении осколков фотоделения основан проект ALTO (Орсэ, Франция).
    Интересные проекты получения пучков радиоактивных ядер реализуются в Италии (Катания, EXYT), в Китае (Ланчжоу) и других крупных научных центрах. Включилась в круг исследователей экзотических ядер и Латинская Америка (университет Сан-Пауло, Бразилия), представившая свой проект ускорителя радиоактивных ядер.
    Таким образом, в 2008-2012 годах будет запущен целый ряд новых ускорительных комплексов, оснащенных уникальными экспериментальными установками, которые позволят сделать новый шаг в синтезе и исследовании свойств новых экзотических состояний ядерной материи.

Коллаборации и молодые ученые

    На симпозиуме был заслушан ряд докладов об организации научных коллабораций. Так заместитель директора GSI Х.Цайттрагер представил интересный доклад об истории развития сотрудничества между GSI и ОИЯИ. Главный ученый секретарь ОИЯИ В.Жабицкий рассказал о сотрудничестве ОИЯИ с ведущими мировыми центрами в области ядерной физики, директор Учебно-научного центра ОИЯИ С.Иванова представила информацию о возможностях УНЦ по подготовке молодых ученых.

    В заключение работы симпозиума был проведен "круглый стол", на котором рассматривались и обсуждались проблемы сотрудничества в реализации проектов и создании новых физических программ научных исследований. Подчеркивалось, что намеченные к реализации крупные установки, их создание, эксплуатация и научные исследования невозможны без вовлечения в эту область исследований молодежи. Участники обсуждения обратили внимание не неудовлетворительное состояние дел с финансированием подготовки нового поколения исследователей в разных странах по сравнению с уровнем финансирования самой материальной базы. Отмечено большое значение обмена студентами и подготовки молодых исследователей в ведущих научных центрах.

    Наконец, мы хотели бы отметить большую помощь в организации симпозиума ОИЯИ, GANIL, GSI, RIKEN и РФФИ.

Ю. Пенионжкевич, вице-председатель оргкомитета,
Е. Черепанов, ученый секретарь.