АКУЛИНА оправдала надежды физиков

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна" N 50 (2004)

Четыре года назад после успеха "трижды уникального" эксперимента на установке АКУЛИНА - облучения жидкой тритиевой мишени пучком тритонов - его руководитель профессор Г.М.Тер-Акопян сказал: "Мы надеемся, что сравнение полученных данных с имеющимися теоретическими расчетами значительно обогатит наши представления о свойствах ядер, находящихся за границей нейтронной стабильности". В октябре в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова состоялась защита сразу двух первых кандидатских диссертаций по результатам, полученным на сепараторе АКУЛИНА. В их основу легли эксперименты, проходившие в разные годы. А поскольку оба соискателя стояли у истоков создания установки, их работы, по существу, охватывают всю историю АКУЛИНЫ. Сегодня кандидаты физико-математических наук Сергей Сидорчук и Александр Родин рассказывают о том, насколько оправдались надежды физиков.

На юго-западе карты изотопов (С. Сидорчук)

    На карте нуклидов распределение известных изотопов по числу протонов и нейтронов вытянуто с юго-запада на северо-восток, если воспользоваться аналогией с географической картой. Большинство ваших читателей, конечно, об этом знает. Исследования, проводимые в ЛЯР, традиционно сосредоточены либо на крайнем северо-востоке карты - это область сверхтяжелых элементов, либо в области легчайших ядер, на юго-западе.
    Научные интересы нашей группы связаны как раз с крайним юго-западом. Рельеф карты можно представить как долину, по дну которой проходит дорожка стабильности. Она занята ядрами, распады которых не наблюдались и которые по этой причине считаются стабильными. На склонах долины лежат радиоактивные изотопы. В результате бета-распада они превращаются в стабильные ядра, "скатываясь" по склону вниз. Слабое взаимодействие, ответственное за эти превращения, позволяет радиоактивным ядрам удерживаться в такой неудобной позиции достаточно долгое время. По мере удаления от дорожки стабильности в ядре возрастает избыток протонов или нейтронов, и, в конце концов, можно придти к ядрам настолько экзотическим, что они не успевают дожить до своего естественного бета-распада и распадаются, испуская нуклоны. В итоге такие системы также возвращаются на дно, но уже по частям.
    Эти ядерные системы определяют границу нуклонной стабильности. За границей для ядер начинается качественно иная жизнь. Она существенно короче, и мы можем наблюдать только то, что от нее осталось, то есть продукты распада. Вместе с тем можно ожидать, что вблизи и за границей нуклонной стабильности доминируют такие свойства ядерных систем, которые в обычных условиях, вероятно, являются эффектами второго порядка и потому не наблюдаются. Отчасти эти ожидания уже оправдались. Известно, что у некоторых легких ядер, лежащих вблизи границы стабильности, были обнаружены ядерное гало и целый ряд связанных с ним явлений, которые сегодня являются предметом интенсивных исследований.
    Здесь необходимо сказать, что экспериментальные исследования экзотических ядерных систем - дело, мягко говоря, непростое. Чтобы получить на выходе экзотическое ядро, на входе лучше иметь ядра тоже необычные, иначе процесс будет связан со сложной перестройкой исходной системы и, как следствие, - маловероятен. Развитие экспериментальной техники, в частности техники пучков радиоактивных ядер, постепенно открывает для нас новые возможности, и мы стараемся их использовать.

Физическая мысль плюс инженерное решение (А. Родин)

    Название установки АКУЛИНА происходит от английского "accurate line" - аккуратная (прецизионная) линия. Изначально она создавалась как компактная установка для получения качественных пучков.
    Все началось в 1992 году, с проекта ускорительно-накопительного комплекса К4-К10. Была проделана большая работа, но наступили экономически трудные времена, и этой идее не суждено было воплотиться в ЛЯР. Тогда было решено создать сепаратор для получения пучков вторичных частиц по подобию уже существовавших в крупных зарубежных ядерных центрах: GANIL (Франция), RIKEN (Япония), MSU (США). Условия были трудные - при минимальных финансовых затратах как можно эффективнее использовать имеющиеся разработки и технические решения. Сами по себе узлы установки не являются уникальными. Конкурентоспособность - а на наши эксперименты сейчас приезжают физики из крупнейших ускорительных центров мира - была достигнута, прежде всего, в сочетании инженерной и физической мысли.
    Например, производящая бериллиевая мишень - оригинальное решение наших конструкторов. Сочетание вращения и водяного охлаждения позволяет работать в условиях, когда в мишени выделяется мощность, превышающая 0,5 кВт. Чтобы увеличить светосилу прибора, была использована оригинальная конструкция самих вакуумных камер внутри квадрупольных линз - не обычная, а крестообразная труба, что позволило увеличить интенсивность вторичного пучка в полтора раза. Криогенная мишень - уникальная разработка специалистов из города Сарова создана с применением конверсионных технологий. Например, уровень стабилизации температуры мишени составляет 0.1 кельвин. Я не знаю других мишеней, которые работали бы с такими температурными параметрами вблизи точки сжижения водорода или гелия. Криогенная мишень, кольцевые кремниевые детекторы, пропорциональные камеры, времяпролетная система на основе пластиковых сцинтилляторов - благодаря этим разработкам с параметрами на уровне лучших мировых аналогов и был достигнут конечный результат.

Первые эксперименты и результаты (А.Родин)

    В 1996 году был получен первый пучок на АКУЛИНЕ, в этом же году проведен и первый эксперимент. На этой установке были получены уникальные пучки гелия, лития. Здесь же проведены первые эксперименты по изучению структуры ядер ⁶Не. Эти работы сначала опирались на исследования физиков Курчатовского института. Именно они тогда были лидерами этого направления, ими была обнаружена кластерная структура ядер ⁶Li, ⁷Li, теоретически показано, что это возможно и в ядре ⁶Не.
    В первом опыте изучалась реакция передачи двух нейтронов с ⁶Не на ⁴Не. Хорошо известно, что если к самому связанному ядру гелия (оно состоит, как известно, из двух нейтронов и двух протонов, система очень стабильная), добавить один нейтрон, то получается ⁵Не, нестабильное ядро. А вот ⁶Не живет уже целую секунду. ⁷Не - тоже нестабильная ядерная система, а ⁸Не - еще более связанное ядро, чем ⁶Не. Такие особенности, характерные для изотопов гелия, - следствие наличия парного взаимодействия слабосвязанных нейтронов в этих ядрах.
    Оболочечная модель ядра предсказывала равновероятное существование таких кластерных структур в ядре ⁶He как ⁴Не+2n и t+t (тритон плюс тритон), получаемых в результате исследуемой реакции. В экспериментах на АКУЛИНЕ как раз и было показано, что t+t - не основная структура. Значительную часть времени два нейтрона в ⁶Не, так называемые валентные нейтроны, находятся обычно так близко друг от друга, что среднее расстояние от них до ядра превышает среднее расстояние между этой нейтронной парой. Таким образом, можно говорить о "ди-нейтронной" структуре ядра ⁶He. А если это так, то эта пара нейтронов может передаваться в одном акте взаимодействия. Например, два нейтрона от ⁶He переходят на другое ядро ⁴He, и получается новый изотоп ⁶He. Это и было показано в эксперименте - большую часть времени ⁶Не существует как альфа-частица и два связанных нейтрона. Следовательно, оболочечная модель недостаточно хорошо описывает структуру слабосвязанных ядер.
    Во втором эксперименте изучалась реакция передачи нейтронной пары от ⁶Не на протон с образованием ⁴Не и t. Данные, полученные в этом эксперименте, подтвердили наличие "ди-нейтронной" структуры в ядре ⁶He.

Новая методология - новая физика (С. Сидорчук)

    Саша сказал о знаменитой гелиевой аномалии, которая состоит в том, что добавление двух нейтронов к ⁵Не или ⁶Не приводит к увеличению энергии связи ядра. Можно предположить, что пары изотопов гелия и водорода (⁴Н-⁵Не, ⁵Н-⁶Не, ⁶Н-⁷Не и ⁷Н-⁸Не) должны иметь схожую структуру. Другими словами, есть основания предполагать, что основное состояние водорода "заготовлено" в соответствующем изотопе гелия и может быть образовано, например, если из гелия аккуратно удалить один протон. Тогда и нейтроны на внешней оболочке водорода должны играть такую же роль, какую они играют в т.н. р-оболочке гелия. Из предположения, что гелиевая аномалия одновременно является и водородной, могут следовать весьма необычные выводы. Прямая экстраполяция приводит нас к сверхтяжелому водороду ⁷Н, стабильному относительно нуклонного распада.
    В новогоднюю ночь после такой экстраполяции на юго-западе можно увидеть второй остров стабильности. К сожалению, Новый год бывает нечасто, а в будни мы имеем дело, в основном, с проблемами. Дело в том, что до появления достаточно интенсивных пучков ⁸Не реакции, в которых с приемлемой вероятностью получался бы ⁷Н, были недоступны. Теоретическая модель ⁷Н на сегодняшний день также отсутствует.
    В последние годы к этой части карты нуклидов проявляют активный интерес ведущие центры многих мировых держав, но освоение новой территории, естественно, никогда не проходит без противоречий. В наших экспериментах мы изучали реакции передачи одного нейтрона с дейтрона на тритон, получая ⁴Н, и передачу двух нейтронов с тритона на тритон, получая ⁵Н. Например, в GSI (Германия) одновременно с нами был поставлен эксперимент, в котором наблюдался резонанс ⁵Н с параметрами, принципиально отличными от наших данных. Количественно это расхождение не выглядит впечатляющим, однако данные GSI исключали влияние взаимодействия пары валентных нейтронов на поведение энергии распада при переходе от ⁴Н к ⁵Н. Отсюда, в частности, следовало, что на дальнейшее движение к ⁷Н вряд ли стоит тратить время. Впечатление усугублялось тем, что спектр ⁵Н, полученный в GSI, хорошо описывался кластерной моделью. Была очень оживленная дискуссия. В ЛЯР провели еще один эксперимент, геометрия которого оказалась более удачной, и поэтому в нем наблюдались очень выразительные угловые и энергетические корреляции продуктов распада ⁵Н. Анализ новых данных привел к однозначному заключению, что энергия распада основного состояния ⁵Н все-таки приблизительно на 1 МэВ ниже энергии распада основного состояния ⁴Н. Правда, в результате несколько пострадала теория, трактующая ⁵Н в рамках кластерной модели, но это обстоятельство следует рассматривать как стимул для ее дальнейшего развития. А эксперименты по изучению ⁷Н стали практически неизбежными, и подготовка к ним уже идет во многих центрах мира.
    Интерес к ⁷Н обусловлен, конечно, не только его предполагаемой стабильностью. Даже от нестабильного ⁷Н можно ожидать нестабильности совершенно особого рода. Данные, полученные для ⁵Н, дают основания предполагать, что ⁷Н распадается не через промежуточные резонансы, а так называемым "демократическим образом": сразу на пять частиц. А это приводит к появлению эффективного т.н. многочастичного барьера, задерживающего распад. Задержка при определенных условиях может быть настолько велика, что даже можно надеяться зарегистрировать ⁷Н как обычную стабильную частицу. Я уже говорил, что в контексте исследований ⁷Н наиболее обещающими являются реакции на радиоактивном пучке ядер ⁸Не, из которых выбиваются протоны. Мы уже сделали первый значительный шаг в этом направлении, который завершился публикацией, но все интересное еще впереди.
    Я должен еще раз сказать, что это была большая работа, она делалась, и будет продолжаться в тесном сотрудничестве со многими организациями, в том числе с нашими конкурентами: GANIL (Франция), RIKEN (Япония), GSI (Германия). Особенно хотелось бы подчеркнуть вклад европейской коллаборации DEMON, участие которой позволило нам включить в наши измерения регистрацию нейтронов, а также сотрудников Федерального ядерного центра в Сарове, которыми была создана криогенная тритиевая мишень. Мы обязаны упомянуть наших коллег, сотрудников ЛЯР, без участия которых ни о каких диссертациях, конечно, не могло идти и речи: Ю.Ц.Оганесяна, Г.М.Тер-Акопьяна, М.С.Головкова, Р.Вольского, А.С.Фомичева, С.В.Степанцова, В.А.Горшкова, М.Л.Челнокова и Р.С.Слепнева. Большой вклад в наше дело внесли также коллеги из Японии - А.А.Коршенинников и Е.Ю.Никольский, из Германии - Л.В.Григоренко и Л.В.Чулков, из Швеции - В.В.Авдейчиков. Многие из них в результате этой работы оказались сотрудниками ЛЯР. Поздравляем с Новым годом вашу газету и ее читателей!

В свою очередь мы поздравляем "новоиспеченных" кандидатов наук. Выражаем надежду, что встретимся с ними на страницах газеты по поводу присвоения очередной ученой степени, и не только.

Материал подготовила Галина Мялковская