Оглавление
*
Введение....................................................................2
Глава 1. Экспериментальная методика........................................22
1.1. Сепаратор АКУЛИНА..............................................22
1.1.1. Вторичный пучок 8Не.....................................23
1.1.2. Первичный пучок 3Н......................................25
1.2. Криогенная физическая мишень...................................27
1.3. Система регистрации............................................30
Глава 2. Эксперименты по изучению 4Н в реакциях (2,3>Н(1,(р,с1)4Н..........39
« 2.1. Схема эксперимента.............................................41
2.2. Реакция 1+с1. Регистрация совпадений р4........................43
2.3. Реакция 1+<1. Регистрация совпадений р-п.......................50
2.4. Реакция 1+1....................................................53
2.5. Обсуждение результатов.........................................56
Глава 3. Эксперимент по изучению 3Н в реакции 3Н(1,р)5Н....................60
3.1. Реакция 1+1. Регистрация совпадений р-4........................61
3.2. Реакция 1+1. Регистрация совпадений р-1-п......................63
3.3. Обсуждение результатов.........................................65
Глава 4. Поиск долгоживущего 7Н в реакции 2Н(8Не, 7Н)......................68
* 4.1. Обоснование эксперимента.......................................68
4.2. Схема эксперимента.............................................69
4.3. Результаты измерений...........................................71
4.4. Обсуждение результатов.........................................72
Глава 5. Квазисвободное рассеяние на связанных частицах
в системах 1+1 и 1+6..............................................73
5.1. Результаты эксперимента........................................76
5.2. Обсуждение полученных данных...................................82
Заключение.................................................................84
^ Литература................................................................91
1
ВВЕДЕНИЕ
Степень актуальности того или иного научного направления наиболее явным образом иллюстрируется тем, насколько широко представлена данная тематика на конференциях и в физической периодике. Тема изучения свойств ядерной материи на границе и за границей нуклонной стабильности не требуег слишком кропотливого поиска в оглавлениях. В последние два десятилетия регулярно проводятся конференции, целиком посвященные этой теме, и в то же время практически на каждой более или менее большой конференции обычно представлен соответствующий раздел. Интерес к исследованиям в этой области обусловлен тем, что пограничные ядра, доступные на сегодняшний день для экспериментальных исследований, как оказалось, обладают совершенно необычными свойствами, которые радикально отличают их от ядер, лежащих на линии стабильности.
Изменение свойств ядер при удалении от линии стабильности проявляется, в частности, в уменьшении их энергии связи. Линия, за которой ядро становится нестабильным относительно нуклонного распада, определяется как drip-line, или линия нуклонной стабильности, показанная на рис. В.1 пунктирной линией. Со стороны нейтронно-избыточных изотопов она определена экспериментально лишь для легчайших ядер (до изотопов кислорода). С протонной стороны благодаря кулоновским силам эта линия менее удалена от дорожки стабильности и в связи с этим ситуация с экспериментальным определением этой границы, соответственно, более благоприятна.
Появление и развитие техники радиоактивных пучков положило начало новому этапу интенсивных исследований ядер вблизи и за границей линии стабильности. Очевидное преимущество радиоактивных пучков заключается в том, что ядра во входном канале реакции уже удалены от дорожки стабильности. В результате, стартуя с позиции, уже приближенной к drip-line, экспериментаторы получили возможность достичь и пересечь эту границу, используя наиболее простые реакции, например, реакции передачи одного нуклона, которые характеризуются достаточно большим сечением. В то же время при использовании стабильных пучков те же пограничные ядра могут быть получены только в
2 8
Рис. В.1. Карта нуклидов. Пунктирными линиями показана линия нуклонной стабильности.
результате таких реакций, которые сопровождаются сложной перестройкой исходной системы, что часто подразумевает исключительную малость сечений.
По мере удаления от дорожки стабильности меняется не только энергия связи, существенные изменения претерпевают и многие другие их свойства. Как известно, обычные ядра имеют среднюю энергию связи около 8 МэВ на нуклон и нуклонная плотность примерно постоянна внутри хорошо определенной поверхности, что дает возможность говорить о размере ядер. Обычно для хараісгеристики размера используют среднеквадратичный радиус ядра. Радиусы нейтронного и протонного распределений очень близки, причем это правило справедливо вплоть до самых тяжелых ядер, где число нейзронов в полтора раза превышает число протонов. Совершенно иная картина наблюдается для ядер, находящихся вблизи границы нуклонной стабильности. Уже самые первые эксперименты на радиоактивных пучках привели к открытию нового явления ядерного гало, - квантовомеханического эффекта, обязанного своим существованием малой энергии связи и короткодействию ядерных сил [Тап85]. Ядра с гало характеризуются ярко выраженным разделением на компактный,
з
хорошо связанный кор и слабосвязанные валентные нуклоны, большую часть времени проводящие вне области действия ядерных сил. Это явление проявляется, в частности, в значительном отличии радиусов протонного и нейтронного распределений. Многочисленные эксперименты обнаружили целый ряд других свойств, характерных только для этих ядер:
• Аномально большое сечение взаимодействия. Измерение сечения взаимодействия 6,8Нс и “Ыс различными ядрами в 1985 году привело к гипотезе существования протяженного распределения валентных нейтронов.
• Разделение нуклонов на кор и гало, которое проявляется в соотношениях, связывающих полное сечение взаимодействия с сечением развала ядра на кор и гало: о.|и10(А) = о^А) - а^А-гало) [Оёа92].
• Необычно узкие импульсные распределения нуклонов гало, получаемые в реакциях фрагментации [КоЬ88]. Этот результат является следствием принципа Гейзенберга, согласно которому широкому пространственному распределению нуклонов в ядре должно соответствовать их узкое импульсное распределение.
• Большие сечения кулоновской диссоциации в реакциях с тяжелыми мишенями [Нап87].
• Мягкая мода гигантского дипольного резонанса, возникающая благодаря слабой связи кора с нуклонами гало, вследствие чего появляется возможность низкоэнергичных колебаний кора относительно гало [Нап87].
• Большая, по сравнению с обычными ядрами, энергия Р-распада, обусловленная возможностью прямого, как в случае свободных частиц, р-распада нейтронов гало в континуум [11п90].
• Изменение оболочечной структуры ядер, которое выражается в нарушении очередности заполнения оболочек.
• Особый характер связи частиц в ядрах с двухнуклонным гало, не имеющий аналога среди обычных ядрах, который выражается в том, что любая двухтельная подсистема ядра, состоящего из трех тел,
4
является несвязанной. Такие ядра принято называть Борромиевскими по геральдическому символу итальянского рода Борромсо, который представляет собой особым образом соединенные между собой три кольца.
Интересным и на сегодняшний день уникальным примером, характеризующим необычность свойств пограничных ядер, является так называемая гелиевая аномалия - поведение энергии связи в зависимости от массового числа. Аномалия заключается в том, что при добавлении двух
г о
нейтронов к ядру Не ядро Не становится более связанным. Аналогичная ситуация наблюдается и для пары 5Не и 7Не. Гелиевая аномалия послужила одной из причин повышенного интереса к исследованиям сверхтяжелых изотопов водорода и к вопросу о возможности существования мультинейтрона.
При переходе границы ядерной стабильности понятие ядра становится условным, поэтому в таких случаях говорят о ядерной системе, состояние которой характеризуется, в частности, определенной энергией относительного движения частиц, составляющих систему. Взаимодействие в такой системе в эксперименте проявляется в виде в виде болсс или мснсе узкого пика в спектре относительной энергии, наличие которого говорит о том, что притяжение между частицами системы достаточно для того, чтобы в течение некоторого времени удерживать их вместе. Если энергия относительного движения частиц превышает порог распада системы, то в случае отсутствия центробежного или кулоновского барьера, удерживающего систему от распада, мы имеем так называемое виртуальное состояние. Типичным примером является п-п взаимодействие в 'в состоянии. Это виртуальное состояние проявляется как широкое распределение по энергии относительного движения нейтронов с максимумом около 70 кэВ. Ширина энергетического распределения для виртуальных состояний довольно значительна, поэтому в таких случае нет смысла говорить о времени жизни ядерной системы. Наличие барьера может привести к появлению узкого резонанса и в этом случае определяющей характеристикой является время жизни ядерной системы. Если ядерная система живет достаточно долго для того, чтобы успеть покинуть область, в которой она образовалась, то она формально ничем не отличается от обычных
5
нуклонно-стабильных ядер, за исключением того, что у него появляется еще один канал распада - нуклонный.
Особый случай представляют собой системы, которые могут распадаться более чем на две частицы. Если в этом случае в одной из подсистем существует резонанс с энергией, меньшей энергии резонанса полной системы, и при этом ширина резонанса подсистемы значительно меньше энергии распада полной системы, то с наибольшей вероятностью распад будет происходить последовательно через резонанс подсистемы. В таком случае мы будем иметь дело с двумя последовательными обычными распадами. Если же резонанс в любой подсистеме отсутствует, то имеет место так называемый демократический распад, при котором все участники распада находятся в равных условиях. Последовательные экспериментальные исследования подобных мод распада начались в 80-х годах в Курчатовском институте. Там же впервые были разработаны теоретические подходы к изучению этих явлений. В результате расчетов методом К-гармоник были получены волновые функции таких ядер, как 6Не, 6П и 6Ве, а также определены вклады основных конфигураций валентных нейтронов: динейтрона, сигары и геликоптера. Результаты этих расчетов были подтверждены экспериментальными наблюдениями. В методе К-гармоник решение уравнения Шредингера представляется в виде разложения по так называемому гипермоменту, что аналогично разложению по орбитальному моменту в двухтельной задаче. Принципиальным отличием является то, что в многочастичной задаче появляется аналог центробежного барьера, не исчезающий при К = 0, - эффективный многочастичный барьер, который приводит к задержке распада с испусканием двух и более частиц.
Наиболее легкие ядерные системы, лежащие за границей нуклонной стабильности, какими являются свсрхтяжелые изотопы водорода, неизменно привлекают к себе внимание на протяжении почти полувека. Вместе с тем на сегодняшний день с полной определенностью можно сказать только то, что в этой области карты изотопов граница нуклонной стабильности проходит между водородом-3 и водородом-4. Более того, не будет слишком большим преувеличением, если сказать, что на тритии заканчивается некоторая условная определенность наших знаний о водороде. Условная - потому, что вопрос о
6
возбужденном состоянии трития, видимо, остается по-прежнему открытым и с регулярностью поднимается вновь и вновь [А1е99]. Можно предположить, что наиболее вероятная структура цепочки изотопов водорода является совершенно аналогичной структуре соответствующей цепочки изотопов гелия: кор (тритон или а-частица) плюс нейтроны, постепенно заполняющие р-оболочку. Это сходство, с учетом существования гелиевой аномалии, дает нам право предполагать довольно необычные свойства изотопов водорода. А с учетом того, что водород за границей нуклонной стабильности является безусловным рекордсменом по нейтронному избытку (N/Z = 3-5-6), задача поиска и определения параметров этих резонансов приобретает высокую степень актуальности. В настоящее время экспериментальные исследования по изучению нуклонно-нестабильных состояний сверхтяжелых изотопов водорода ведутся во многих научных лабораториях мира: RIKEN (Япония), GANIL (Франция), GSI (Германия), CRC (Бельгия), а также в ЛЯР ОИЯИ, где и была выполнена настоящая работа.
Водород-4. Водород-4 является наиболее простой ядерной системой в семействе нуклонно-нестабильных изотопов водорода благодаря его двухтельной структуре (тритон плюс нейтрон). Вместе с тем большая ширина основного состояния, а также наличие не менее широких возбужденных состояний весьма осложняет задачу определения параметров резонансов в системе t-n. Первые попытки получить в эксперименте сверхтяжелый изотоп водорода 4Н были сделаны в контексте исследований изобар-аналоговых состояний ядер с массовым числом А = 4 одновременно с попытками экспериментального наблюдения тетранейтрона 4п и измерениями возбужденных состояний а-частицы (см., например, [Ama37], [Gil65], [Coh65]). Довольно быстро было установлено отсутствие ядерно-стабильных состояний водорода-4 ([Реу55], [Gre62], [Рор64], [Rog64]). Вместе с тем в различных реакциях в энергетических спектрах наблюдался широкий пик, отвечающий несвязанному состоянию t-n. Последующие эксперименты были ориентированы на получение характеристик наблюдаемого резонанса. Полученные результаты компилированы в работах [Меу68], [Fia73], [Ajz74] и [Til92J. Пик интереса к резонансному состоянию водорода-4 пришелся на середину 60-х годов, но сообщения о его наблюдении в различных реакциях довольно часто встречаются
7
- Київ+380960830922