Открытые вопросы физики ядра и частиц

    Одной из фундаментальных проблем является объяснение асимметрии между числом барионов и антибарионов во Вселенной. Эта асимметрия наблюдается в пределах скопления галактик, в которой мы находимся. Присуща ли барионная асимметрия всей Вселенной в целом или это локальное свойство ее ближайшей к нам области? Сегодня в моделях, объясняющих барионную асимметрию предполагается, что на начальном этапе эволюции Вселенной не было барионов и антибарионов. Они образовались в процессах, описываемых лагранжианами, нарушающими закон сохранения барионного числа. Вселенная на начальном этапе не находилась в состоянии термодинамического равновесия. Основные процессы эволюции шли с нарушением CP-инвариантности. Эксперименты по поиску нестабильности протона важны для выяснения всех этих вопросов.
    Открытым остается вопрос о фундаментальности кварков и лептонов. Не являются ли они составными объектами в области масштабов <10^-16 см? Существуют ли в природе свободные цветные объекты? Какова природа темной материи? Смешиваются ли поколения лептонов?

Радиоактивные пучки

    В то время когда в физике частиц происходило продвижение в сторону высоких энергий и открывались новые частицы, в состав которых входили все более массивные кварки, качественно изменилась ситуация и в "традиционной" ядерной физике. Улучшение техники ионных пучков и методов сепарации короткоживущих изотопов существенно расширило число исследованных ядер. К концу XX века было открыто ~ 3000 атомных ядер. Всего в границах ядерной стабильности по существующим оценкам их может быть около 7000.
    Наряду с хорошо известными модами распада атомных ядер - α, β, γ  и спонтанным делением были обнаружены новые типы радиоактивности. В 1962 году в ОИЯИ (Дубна) впервые была зарегистрирована протонная радиоактивность. Она наблюдалась для нейтронодефицитных ядер вблизи границы протонной стабильности.
    Было обнаружено, что ядра могут самопроизвольно испускать ядра тяжелее ⁴He – кластерная радиоактивность. Впервые кластерная радиоактивность наблюдалась в распаде

²²³Ra → ²⁰⁹Pb + ¹⁴C.

    Какие сегодня приоритетные направления исследований в области ядерной физики?

• Поиск новых сверхтяжелых ядер.
• Исследование свойств ядерной материи в экстремальных условиях - в области низкой температуры и низкой плотности ядерной материи и в области высокой температуры и высокой плотности ядерной материи. Состояния с высокой плотностью ядерной материи интенсивно исследуются в столкновениях релятивистских ядер. Ведутся исследования в области мультифрагментации и полного развала ядра на нейтроны и протоны.
• Исследование формы и свойств атомных ядер в супердеформированных состояниях и в состояниях с экстремально большими спинами.
• Исследование атомных ядер вдали от долины стабильности, вблизи от границ нейтронной и протонной стабильности.
• Изучение новых типов радиоактивного распада. Поиск новых долгоживущих изомерных состояний
• Открытым и требующим дальнейших исследований является вопрос о роли кварковых степеней свободы и их влияние на короткодействующую составляющую ядерных взаимодействий.
• Кварк-глюонная структура нуклона и изменение его свойств в ядерной материи.

    В настоящее время методы сепарации и детектирования достигли такого совершенства, что основные характеристики атомных ядер: масса, период полураспада, основные моды распада - могут быть получены на основе анализа небольшого их числа.
    Метод сепарации тяжелых ионов на лету позволяет получать моноизотопные пучки ускоренных ядер вплоть до урана. Появились новые экспериментальные методы для изучения свойств атомных ядер - комбинации ускорителей с ионными ловушками для низкоэнергетических ионов и накопительные кольца для ионов низких и средних энергий. Существенный прогресс в исследовании ядер с необычным отношением N/Z - экзотических ядер - связан с возможностью накопления высокоэнергетических вторичных пучков радиоактивных ядер и изучения реакций на этих пучках.

Экзотические ядра

    До недавнего времени экспериментальные возможности для радиоактивных ядер ограничивались изучением таких характеристик как масса, период полураспада, моды распада. Пучки радиоактивных ионов с энергиями от 1 МэВ/нуклон до 1 ГэВ/нуклон дают более детальную информацию об атомных ядрах. Изучение экзотических ядер дает сведения о ядрах, находящихся в экстремальных условиях. В таких ядрах меняется соотношение между кулоновским и ядерным взаимодействием, характерное для стабильных ядер, что приводит к появлению новых, необычных свойств. Оказалось, что в отличие от ядер, расположенных вблизи долины стабильности, в экзотических ядрах не совпадают зарядовое и массовое пространственные распределения. Были обнаружены гало-ядра, имеющие пространственное распределение ядерной материи, существенно превышающее обычные размеры атомных ядер R = 1.3A^1/3.

    Нейтронное гало - эффект, обусловленный наличием связанных состояний нейтронов, расположенных вблизи континуума. Малая величина энергии связи нейтрона (или группы нейтронов) и короткодействующий характер ядерных сил приводят к туннелированию нейтронов во внешнюю периферийную область на большие расстояния от кора ядра. При этом плотность распределения периферийных нейтронов существенно меньше плотности распределения нейтронов внутри кора. Нейтронное облако, окружающее кор простирается на гораздо большие расстояния, чем радиус ядра, определяемый соотношением R = 1.3A^1/3. Так для гало-ядра ¹¹Li пространственное распределение двух нейтронов, образующих ядерное гало вокруг кора ⁹Li, простирается столь далеко, что радиус ядра ¹¹Li оказывается сравним с радиусом ²⁰⁸Pb.
   Было обнаружено два типа гало-ядер (рис. 1). Первый тип гало-ядер связан с общим увеличением размера ядра. Это гало-ядра ¹¹Li, ¹¹Be, ¹⁴Be, ¹⁷B. Гало-ядра второго типа связаны с очень компактным кором (⁴He). Это ядра ⁶He и ⁸He.
    В области ядер N = 20 неожиданной оказалась нестабильность дважды магического ядра ²⁸O. Исследование распадных характеристик ядер вблизи ⁴⁴S дали первую информацию о существовании деформированных ядер с N = 28. Были получены ядра ⁴⁵Fe, ⁴⁹Ni с экстремальным отношением N/Z. Получено самое тяжелое дважды магическое самосопряженное ядро ¹⁰⁰Sn (Z = N = 50). Все это делает экзотические ядра предметом приоритетных исследований.
    На рис.2 схематически показаны основные направления исследований с помощью радиоактивных пучков.

    Основная цель исследований в области ядерной физики состоит в изучении природы взаимодействия системы конечного числа нуклонов, понимании того, как соотносятся силы взаимодействия между нуклонами с более фундаментальными взаимодействиями, как отличаются свойства и взаимодействия свободных нуклонов и нуклонов в ядерной среде. Одним из первых замечательных открытий было обнаружение некоторых регулярностей в поведении атомных ядер - магических чисел, получивших достаточно адекватное описание в модели оболочек. Другим открытием было обнаружение сил спаривания. Одним из проявлений сил спаривания является нулевое значение спина основного состояния у всех четно-четных ядер. Значительное расширение числа изотопов за счет ядер, удаленных от долины стабильности, позволяет не только более детально исследовать те явления, которые уже были обнаружены ранее, но и изучать новые явления в ядрах, находящихся в экстремальных условиях. Ядра, удаленные от долины стабильности, имеют другое среднее поле, обусловленное интерференцией кулоновского и ядерного взаимодействий

    Ответы на какие вопросы мы ожидаем получить, изучая экзотические ядра?

1. Какова область существования атомных ядер? С этой целью исследуются наиболее тяжелые из полученных в настоящее время сверхтяжелых ядер. Исследуются ядра вблизи границ энергий отделения протона B_p = 0 и нейтрона B_n = 0. Исследование атомных ядер вблизи этих границ позволяет ответить на вопрос - существуют ли компактные области устойчивых ядер вне этих границ и каковы возможные причины существования таких областей.
2. Существуют ли в области экзотических ядер те же самые магические числа, как и для ядер долины стабильности? Ответ на этот вопрос особенно важен, т.к. позволит получить дополнительную информацию о форме атомных ядер и, в частности, о супердеформированных ядрах в основном состоянии. До сих пор супердеформированнные ядра были обнаружены лишь в возбужденных состояниях. Для экзотических ядер возможно появление новых магических чисел, обусловленное сильно деформированными состояниями.
3. Как меняются свойства атомных ядер в том случае, когда соотношение между числом нейтронов и протонов отличается от равновесных значений, характерных для ядер долины стабильности? В настоящее время твердо установлено существование нейтронного гало и нейтронного слоя у легких нейтроноизбыточных ядер

• Насколько это свойство расслоения протонной и нейтронной материи может проявиться в экзотических ядрах с сильно неравновесным отношением N/Z?
• Каково распределение масс и зарядов в экзотических ядрах?
• Меняется ли величина спин-орбитального взаимодействия с изменением величины N/Z?
• Существует ли состояние нейтронного гало в возбужденных состояниях ядер?
• Существуют ли эффекты кластеризации ядерных состояний в области малой нейтронной плотности?
• Какую форму имеют атомные ядра в областях с различными значениями N/Z?

1. Какие качественно новые явления ожидаются при распаде экзотических ядер? Если основными модами радиоактивного распада ядер вблизи долины γ-стабильности являются α- и β-распады и γ-переходы, то при приближении к границам нуклонной стабильности драматически меняется энергия Ферми для протонов и нейтронов. Вследствие этого появляются новые моды распада - испускание запаздывающих нейтронов, протонов, дейтронов, тритонов и испускание двух и трех нейтронов из возбужденных состояний ядер.
2. Как изменятся наши представления об эволюции Вселенной с появлением новой информации о свойствах экзотических ядер?

Сверхтяжелые ядра

    Поиск сверхтяжелых ядер - одна из интереснейших задач современной ядерной физики. Область существования сверхтяжелых атомных ядер определяется спонтанным делением атомных ядер или
α-распадом. Расчеты по жидкокапельной модели предсказывают исчезновение барьера деления для ядер с Z²/A  46 (примерно 112 элемент). Однако еще в 1966 году В. Майерcом и В.Святецким было предсказано существование острова повышенной стабильности сверхтяжелых атомных ядер. Замкнутые оболочки могут существенно увеличить высоту барьера деления и соответственно увеличить время жизни ядра. Согласно современным представлениям следующее после Pb магическое по протонам ядро имеет Z = 110. Дважды магическое ядро согласно расчетам должно иметь большое время жизни, а около него должны группироваться ядра с достаточно высокими барьерами деления и соответственно достаточно большими временами жизни (остров стабильности). Пока все попытки выйти на остров стабильности не увенчались успехом. Однако поиск его продолжается.
    Ядра с Z = 107-109 были открыты до 1986 года и получили названия: 107 - Bh (Borium), 108 - Hs (Hassium), 109 - Mt (Meitnerium). Учитывая заслуги физиков Дубны (Г. Флеров, Ю. Оганесян) в открытии большого числа изотопов тяжелых элементов (102-105), в 1997 году решением Генеральной Ассамблеи чистой и прикладной химии элементу с Z = 105 было присвоено имя Dubnium (Db).
    Новый этап в исследовании сверхтяжелых ядер начался в 1994 году, когда была существенно повышена эффективность регистрации сверхтяжелых ядер и усовершенствована методика их наблюдения. Как результат были обнаружены изотопы 110, 111 и 112 элементов.
    Различные изотопы 110 элемента были синтезированы в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Флерова и в GSI (Дармштадт). На рис. 3 показаны самые тяжелые (Z > 106) изотопы, полученные в лабораторных условиях.

    На основе различных теоретических моделей были рассчитаны распадные характеристики сверхтяжелых ядер. Наиболее устойчивым ядром по отношению к спонтанному делению является ядро с Z = 114 и N = 184. Для него период полураспада по отношению к спонтанному делению ~10¹⁶ лет. Для изотопов 114-го элемента, отличающихся от наиболее устойчивого на 6-8 нейтронов, периоды полураспада уменьшаются на 10-15 порядков. Наиболее устойчивое ядро расположено в области Z < 114 и N = 184 (T_1/2 = 10¹⁵ лет). Для изотопа ²⁹⁸114 период полураспада составляет около 10 лет.
    В Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (Дубна) синтезирован элемент с Z = 114. Была использована реакция

Идентификация 114 элемента проводилась по цепочке α-распадов. Экспериментальная оценка периода полураспада изотопа ²⁸⁹114 ~30 с. Полученный результат находится в хорошем согласии с ранее выполненными расчетами. Большое время жизни этого ядра по-видимому связано с тем, что оно является магическим по числу протонов.

Кварк-глюонная плазма

    По современным представлениям при высоких температурах и/или больших плотностях адронной материи может образовываться кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в естественных условиях кварк-глюонная плазма существовала в первые 10^-5 с после Большого взрыва (рис. 4).

Условия для образования кварк-глюонной плазмы могут существовать и в центре нейтронных звезд. Численные оценки показывают, что переход в состояние кварк-глюонной плазмы происходит как фазовый переход 1-го рода при температуре ~ 200 МэВ. Экспериментальное наблюдение кварк-глюонной плазмы - одна из приоритетных задач современной ядерной физики. Наиболее перспективным методом получения кварк-глюонной плазмы является соударение релятивистских тяжелых ионов. Образующееся в области столкновения сжатие и нагрев могут оказаться достаточными для фазового перехода. Одна из основных проблем - идентификация состояния кварк-глюонной плазмы. Это может быть сделано по аномальному выходу нейтронных пар, эмиссии фотонов, аномально большому выходу странных частиц. Трудности идентификации связаны с тем, что, во- первых, существует большой фон за счет событий сильного взаимодействия нуклонов, во- вторых, длительность кварк-глюонной стадии эволюции ядерной системы составляет малую часть общего времени эволюции. На рис. 5 показана фазовая диаграмма, из которой видно, в области каких давлений и температур можно ожидать образования кварк-глюонной плазмы.

На рис. 22 продемонстрирована возможность ее наблюдения на коллайдере релятивистских тяжелых ионов RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхейвене.
    В начале 2000 года в CERN было официально объявлено о том, что новое состояние материи - кварк-глюонная плазма была получена в столкновениях ионов свинца с ионами свинца и золота. Полная энергия сталкивающихся ионов составила ~33 ТэВ (Для образования кварк-глюонной плазмы необходимо ~3.5 ТэВ). Плотность образовавшейся материи превышала плотность ядерной материи (ядерную плотность) приблизительно в 20 раз. В соответствии с предсказаниями теории в момент образования кварк-глюонной плазмы наблюдался повышенный выход странных мезонов, уменьшение выхода тяжелых ψ-мезонов, увеличение выхода фотонов и лептон-антилептонных пар.