Оглавление
1 Введение 4
2 Метод обратной геометрии и толстой мишени 15
2.1 Упругое рассеяние частиц с нулевым спином..................... 16
2.2 Принципиальная схема наблюдения резонансов
в обратной геометрии с толстой мишеныо . . ..................19
2.3 Кинематика упругого рассеяния................................. 19
2.4 Эффективность метода.......................................... 21
2.5 Энергетическое разрешение..................................... 23
2.6 Фон, другие процессы.......................................... 25
2.7 Перевод функции возбуждения из лабораторной системы в систему центра.................................................... 31
3 Исследование а - кластерных состояний легких ядер 35
3.1 Исследование высоко лежащих о-кластерных состояний ядер
160, 20Ке, 22Ке, 24М8........................................ 37
3.1.1 Эксперимент по измерению функций возбуждения 12С,
160, 180, 20 + а .................................... 38
3.1.2 Обсуждение полученных результатов...................... 40
3.1.3 Итоги изучения ог-кластерной структуры ядер 160,20Не, 22К'е, 24Мё................................................. 50
3.2 а-кластерные состояния в 36Аг................................. 52
3.2.1 Эксперимент по изучению а-кластерной структуры 36Аг 53
1
3.2.2 Результаты измерений................................ 56
3.2.3 Обработка функций возбуждения ...................... 58
3.2.4 Является ли наблюдаемая картина статистическими
флуктуациями?........................................ 64
3.2.5 Общий обзор результатов............................. 66
3.2.6 Обсуждение результатов.............................. 69
3.2.7 Итоги изучения а-кластерной структуры 36Аг .... 73
4 Протонноизбыточные экзотические ядра 11М, 8 В 74
4.1 Спектроскопия ядра ПИ...................................... 74
4.1.1 Обзор предыдущих исследований 11N................... 75
4.1.2 Эксперимент по упругому рассеянию 10С на протонах.
Экспериментальная установка.......................... 77
4.1.3 Система сбора информации ........................... 79
4.1.4 Измерения........................................... 80
4.1.5 Анализ данных с помощью потенциального подхода. . 83
4.1.6 Оценка квантовых характеристик резонансов........... 87
4.1.7 Спектроскопические факторы.......................... 92
4.1.8 Л-матричный подход в анализе функции возбуждения
выше 4.0 МэВ......................................... 93
4.1.9 Сравнение Л-матричного подхода с потенциальным . 96
4.1.10 Оценка вклада неупругого фона....................... 98
4.1.11 Сравнение результатов нашей работы со всеми имеющимися на данный момент экспериментальными и теоретическими данными ...................................... 100
4.1.12 Итоги изучения протонноизбыточного ядра П1М. . . . 100
4.2 Спектроскопия ядра 8В .................................... 104
4.2.1 Постановка эксперимента............................ 105
2
4.2.2 Экспериментальная установка для регистрации протонов отдачи ............................................. 106
4.2.3 Результаты и анализ результатов измерений.......... 106
4.2.4 Итоги изучения ядра 8В в упругом резонансном рассеянии ................................................... 108
5 Заключение 112
3
Глава 1
Введение
Физика экзотических ядер, т.е. ядер, лежащих вблизи и за границами ядер-ной стабильности, является одной из самых интересных и быстро развивающихся областей ядерной физики. Общие соображения о том, что недоступные ранее ядра, могут принести неожиданные и интересные сведения получили конкретное подтверждение. За сравнительно короткий период активного развития этого направления уже обнаружены новые ядернофизиче-ские явления. Первым здесь стоит упомянуть об открытии так называемого ядерного гало. В 1985 году японский физик Танихата с сотрудниками [79], измеряя полные сечения взаимодействия некоторых нейтронно-избыточных ядер (6Не ,8Не,91Л,п1л,пВе), обнаружил, что в случае ядер 6Не,8Не,п1л,пВе эти сечения необычно велики. Используя модель Сербера (внезапное приближение), они определили средне-квадратичные радиусы для этих ядер и оказалось что они неожиданно большие и выпадают из существующей систематики. Кроме того, было показано (см. например [60]), что полное сечение взаимодействия для этих ядер может быть представлено в виде суммы сечения взаимодействия кора и сечения выбивания валентных нуклонов:
= <7согв(*л*) + <72п{гетоуа1)
Физически это можно интерпретировать таким образом, что валентные нуклоны не проникают в область кора (точнее имеют низкую вероятность попасть во внутреннюю область кора) и процессы происходящие с участием
4
нуклонов из кора и валентных нуклонов можно считать некогерентными.
Для объяснения наблюдений Танихаты и Кобаяши была высказана гипотеза о том, что некоторые ядра можно представить как сложную систему, состоящую из двух различных областей: кора, обладающего обычной плотностью ядерной материи, и области, в которой "размыто"один или несколько валентных нуклонов, и соответственно обладающей очень низкой плотностью. Это явление получило название ядерного ГАЛО. Сейчас считается установленным фактом наличие однонейтронного гало у ядра пВе и двухнейтронных гало у п1л и 14Ве.
Случай 11Ы представляет пример еще и другого интересного явления, возникающего в сложных системах с малой энергией связи. Известно, что ядро 101л не стабильно относительно распада нейтроном, два нейтрона так же не образуют связанной системы, однако ядро 111л, которое можно представить как 91л-Ьп+п, имеет положительную энергию связи нейтрона и живет 8.5 мс. Такие системы, состоящие из трех компонентов, в которых любые два компонента не имеют связанных состояний, а сама система является связанной, получили название систем Боромина. Какое взаимодействие удерживает такую "рыхлую"систему от развала? Каковы свойства этой системы? Оказалось, что на эти и многие другие вопросы можно ответить в рамках трехчастичного похода в теории ядра. Большие успехи были достигнуты в этом направлении Российско-Шведской группой теоретиков [90|. В трехтельном подходе ядро 111л рассматривается как система состоящая из трех взаимодействующих частиц (кластеров) - 91л и двух нейтронов. Успех такого подхода объясняется, видимо, тем, что валентные нейтроны большую часть времени проводят вне кора и могут быть описаны как отдельные кластеры. Здесь, как и в случае нейтронного гало, мы сталкиваемся с эффектами, связанными с низкой плотностью ядерного вещества.
Еще одно интересное явление, которое мы рассмотрим на примере ядра пВе, было обнаружено в экзотических ядрах. Это нарушение обычной гю-
5
следовательности заполнения ядерных оболочек. Из стандартной модели ядсрных оболочек хорошо известна последовательность заполнения оболочек, так сначала заполняется 181/2 оболочка (два нейтрона и два протона), затем 1рЗ/2, 1р1/2, 165/2, 2э1/2 и так далее. В ядре пВе четыре протона и семь нейтронов. Шесть нейтронов замыкают Ш/2 и 1рЗ/2 оболочки. Естественно было бы ожидать, что седьмой нейтрон сядет в 1р1/2 оболочку, как следует из стандартной обол очечной модели. Это означало бы, что пВе должен иметь спин-четность 1/2~ в основном состоянии. Однако это не так. Известно [3], что спин-четность основного состояния 11 Ве 1/2+. Это означает, что седьмой нейтрон, вопреки ожиданиям, садится в 2в1/2 оболочку. Такое нарушение порядка следования оболочек по сравнению с обычными ядрами еще не получило должного объяснения. Возможно и здесь мы сталкиваемся с эффектами, обязанными своим существованием низкой плотности ядерной материи.
Наряду с новыми явлениями быстро растет число обнаруженных экзотических объектов. Недавно стало ясно, что изотопы 14В, 22С ядерностабиль-ны [19, 72]. Естественно было бы ожидать, что менее экзотические ядра уже хорошо изучены, т.е. определены квантовые характеристики их основных и нижних возбужденных состояний. Однако это не так! Достижения в области измерения масс, материальных и зарядовых радиусов, импульсных распределений экзотических ядер только подчеркивают отставание ядерной спектроскопии этих объектов. Например, начиная с ядра 17С, спины основных состояний изотопов углерода не были определены. Особенно хорошо известен случай 101л |23], свойства которого важны как сами по себе, и в частности для понимания природы инверсии 1р и 2б состояний в экзотических ядрах, так и для описания структуры Боромиева ядра п1л [23|. Однако, несмотря на многочисленные измерения, спины состояний 101л неизвестны. Не удалось даже определить энергию связи основного состояния 101л. По нашему мнению, такое положение сложилось потому, что для того что-
6
бы 11 добраться”до экзотических ядер, имея в наличии "обычные"мишени и "обычные”пучки, приходится использовать экзотические реакции. В таких реакциях от одного сталкивающегося ядра передаются другому несколько нуклонов одного типа. Типичный пример реакция подхвата изотопом гелия трех нейтронов (3Не,6Не). В частности эта реакция использовалась для изучения структуры возбужденных состояний ПК (14М(3Не,6Не)и1^) |51]. Поперечные сечения таких реакций редко бывают больше чем 10 мкб/ср, однако прогресс в технике эксперимента позволяет уверенно наблюдать такие редкие процессы. Помимо низкого сечения можно указать и еще один, главный недостаток метода основанного на использовании многонуклон-ных реакций. Дело в том, что механизм многонуклонных процессов очень сложен, а главное, как правило, не известен. Восстановить квантовые характеристики наблюдаемых уровней, даже при условии измерения угловых распределений, часто бывает невозможно. Разработанные методы теории ядерных реакций, традиционно применяемые для получения сведений о квантовых характеристиках и структуре заселяемых в обычных реакциях состояний, оказываются малополезными для обработки результатов, полученных с использованием экзотических (многонуклонных, многоступенчатых) процессов. По видимому, в экзотических реакциях нельзя будет определить даже переданные орбитальные моменты (см. например [51]).
Поскольку знание квантовых характеристик ядерных состояний является необходимым для построения (и проверки) моделей ядерной структуры то в последнее время проявляется тенденция "приписывать,,спины найденных состояний на основе недостаточных данных. Действительно, обсуждаемые измерения могут дать сведения только об энергии возбуждения некоторых состояний а также, если экспериментальное разрешение оказывается достаточным, то и ширины квазистационарных (нуклоннонестабильных) состояний. В последнем случае из-за того, что кинематика процесса не фиксируется при регистрации одной частицы из трех (как минимум), квазиста-
7
ционарные состояния проявляются на фоне непрерывного спектра. В связи с тем, что вероятности искомых процессов малы, этот непрерывный спектр оказывается относительно интенсивным и может быть обязан нескольким (неизвестным) источникам. Существование интенсивного фона может приводить к ошибочному определению ширины состояний даже в том случае, когда экспериментальное разрешение достаточно хорошее.
Хорошо известно, что на основании только энергии возбуждения и ширины нельзя определить квантовые характеристики состояний. Авторы [63] идут по пути сопоставления спектра найденных состояний с теоретическими предсказаниями. Этот путь представляется особенно опасным потому, что с одной стороны не может заменить экспериментальной идентификации квантовых характеристик, а с другой стороны исследования экзотических ядер и проводятся в существенной мере с целыо обнаружить новые эффекты, которые не учитывались при теоретическом описании обычных ядер. Таким образом видимость идентификации может увести в сторону от случаев, требующих углубленного исследования. Например после пионерского изучения реакции 14М(3Не,бНе)пЫ [22) первое возбужденное состояние ИЫ долгое время считали основным состоянием ПМ. Только недавно [16] стало ясно, что в ядрах с А=11 и Т=| наблюдается инверсия состояний 2б и 1р оболочки, и основным состоянием 11Х является уровень слабо возбуждающийся в указанной реакции.
Итак, традиционный подход использования "экзотических"реакций для изучения экзотических ядер представляется мало перспективным, не смотря на возможные дальнейшие методические улучшения.
Вероятное решение проблемы связано с применением радиоактивных пучков. Радиоактивные пучки позволяют использовать простые ядерные реакции для достижения ядер еще более далеких от области стабильности. Например, используя пучки 8Не и дейтериевую мишень, в реакции (б,3Не) можно получить 7Н, а в реакции (фр) - 9Не. Механизм подобных реакций
8
хорошо известен и их анализ выполняется на основе хорошо разработанного метода искаженных волн. Сравнение расчета с экспериментом должно дать сведения о структуре заселяемых состояний и о переданных орбитальных моментах. Поперечные сечения простых реакций, конечно, гораздо больше, чем сечения экзотических ( в 103 раз), однако интенсивности р/а пучков гораздо меньше ( в 108 раз), чем интенсивности обычных, поэтому необходимы либо серьезные модификации известных методов наблюдения продуктов ядерных реакций, либо разработка новых методов. Итак, мы пришли к необходимости применения нового, более эффективного экспериментального метода измерений.
Самая простая ядерная реакция это упругое рассеяние. Упругое рассеяние неоднократно с успехом применялось для изучения структуры уровней различных ядер. Для этого необходимо измерять сечение упругого рассеяние в широком энергетическом интервале с шагом меньшим чем характерная ширина исследуемых резонансов. Если совокупная энергия взаимодействующих частиц в системе центра соответствует энергии возбуждения для одного из уровней составной системы, то сечение упругого рассеяния при этой энергии резко возрастает. Этот эффект хорошо описывается известной формулой Брента-Вигнера. В резонансе сечение может достигать величины в несколько барн. Механизм реакции упругого рассеяния прост и очень хорошо изучен, что позволяет сравнительно легко и надежно получать квантовые характеристики наблюдаемых уровней. Итак, очевидно, что применение упругого рассеяния в сочетании с радиоактивными пучками позволит сильно продвинуться в спектроскопии экзотических ядер. Однако интенсивности радиоактивных пучков малы, возможно ли применять их для измерения функции возбуждения упругого рассеяния? Оценим время, требуемое на измерение. Типичная интенсивность радиоактивных пучков низких энергий в современных ядерных центрах 104 частиц в секунду, сечение упругого рассеяние в резонансе ~500 мб/ср. В обычном
9
- Київ+380960830922