Введение к работе
Представленная работа посвящена теоретическим проблемам физики кластеров - составных подсистем атомных ядер, образованных несколькими фермионами - нуклонами или кварками . Этот раздел современной ядерной физики характеризуется широким разнообразием экспериментальных и теоретических исследований и большим количеством публикуемых работ. Он может быть разделен, с определенной степенью условности, на две области:
-
Физику ядерных систем, где обособление кластеров сохраняется от начала до конца реакции (для связанной системы - существует постоянно).
-
Физику ядерных процессов, где в начальном состоянии системы обособление подсистем отсутствует, а кластеризация проявляется при постановке эксперимента, фиксирующей выходной канал кластер -ядро-остаток. Сюда включаются, естественно, и симметричные относительно инверсии времени процессы.
Следует отметить, что вторая область находится на стыке исследований ядерных реакций и структуры ядра. Опыт показывает, что для широкого класса кинематических условий и множества типов операторов эволюции системы (операторов . глауберовского вида, элек-трон-нуклонных, операторов, характерных для о-распада и др.) сечение или ширина процесса в решающей.степени определяется структурой начального ядра - его мгновенной, "скрытой" кластеризацией. Ее мерой служат кластерные характеристики системы - функционалы ядерной волновой функции, которую при этом необходимо записывать в микроскопическом виде, т. е. как функцию фермионных переменных.
В настоящей работе представлены исследования, относящиеся как к первой, так и ко второй области с некоторым преобладанием
последних.
Существенно новый в данной работе является выбор объектов исследования. В райках микроскопических представлений, т.е. представлений о ядре как системе большого числа фермионов (нуклонов или кварков - в зависимости от области энергий рассматриваемого процесса) исследуются многофермионные, т.е. состоящие из более чем четырех нуклонов или трех кварков, кластеры в ядрах. Изучаются также мультикластериые каналы, когда ядро разваливается на тр» или большее число составных фрагментов.
Актуальность темы. Современный этап развития ядерной физик* характерен тем, что главными объектами изучения становятся сложные, затрагивающие многие нуклоны ядра реакции; процессы при больших энергиях, когда испускается множество нуклонов и составныз частиц, а также могут проявляться ненуклоиные компоненты ядерныз систем; редкие, связанные с проявлением тонких свойств ядерної структуры, явления. Проблемы теоретического описания таких процессов весьма сложны. Для их последовательного решения необходим! привлекать широкий круг результатов, полученных при изучении тра-диционных объектов ядерной физики: одно- и двухчастичных, коллективных свойств ядер; прямых и предравновесных ядерных реакций реакций, идущих через составное ядро.
Важной тенденцией современной теоретической ядерной физик является развитие прецизионных методов, применяемых для описани систем нескольких нуклонов, для нужд теории более тяжелых ядер.
В физике кластерных; явлений накоплен богатый арсенал теоре тических методов описания ' кластеризованных ядерных систем, про цессов с обычными d-, t-, h- и а-кластерами. Имеется и определен ный опыт феноменологического и микроскопического описания упруги столкновений составных систем, более тяжелых, чем а-частица. По
vy развитие известных микроскопических методов кластерной фи-и на многофермионные кластерные каналы, каналы с несколькими стерами, поиск в этой области новых подходов с целью описать цессы, затрагивающие большие группы ядерных нуклонов или квар-, представляет собой весьма актуальную и перспективную задачу.
Ее актуальность определяется, в первую очередь, недавним от-ітием нового ядерного процесса - спонтанного испускания класте-, более тяжелых, чем о-частица, которое является, по мнению ора, наиболее ярким открытием в ядерной физике малых энергий в е годы. Актуальность исследований мультикварковых (6q-, 9q-, - и т. д.) кластеров (флуктонов) связана с широким масштабом п"ериментальных исследований ненуклонных степеней свободы атом-ядер при промежуточных энергиях. Они, по всей видимости, про-:яются в процессах образования кумулятивных частиц и некоторых гих реакциях; могут, наряду с другими свойствами ядер, являть-источником ЕМС-эффекта, влиять на вероятности нарушающих про-іанственную четность ядерных процессов.
Следует отметить, что несмотря на долгую историю развития [.(1-,.2] списка цитируемой литературы), в физике процессов с ічньїми легкими кластерами существует множество нерешенных акту-->ных проблем. Использование подходов, предназначенных первона-[ьно для многофермионных кластерных степеней свободы, в этой диционной области также перспективно и подчеркивает, актуаль-:ть этих подходов.
В процессе работы над избранной темой обнаруживались ее свя-
с кажущимися на первый взгляд далекими, вызывающими большой
ерес исследователей, проблемами. Так, развитие математического
іарата спектроскопических амплитуд мультикластерных каналов
і. реферат главы 2) позволило создать антисимметризованную вер-
сию известной мультикластерной динамической модели легких ядер, для которых характерна постоянная (статическая) кластеризация (новая модель изложена в гл. 6). Тем самым удалось расширить сферу применимости модели для описания различных наблюдаемых величин. Таким образом, развиваемые методы нашли свое применение і решении весьма актуальных ныне прецизионных задач ядерной физик» нескольких тел.
Другой пример - развитие качественных теоретико-групповыэ методов физики кластеров на предельно тяжелые (масса кластер! сравнима с А/2) каналы, приведшее к обнаружению нового правил; отбора - структурного запрета тяжелой фрагментации атомного ядр! (ей. реферат гл. 4), поставило на повестку дня вопрос о проявлении кластерной структуры в реакциях массивной передачи, процесса; образования двойной ядерной системы при столкновении тяжелых ионов и даже в делении ядер. На тех же принципах строились исследования группой П.Крамера квазимолекулярных состояний. Новым импульсом для развития представлений физики многофермионных кластерої может стать, по-видимому, недавнее открытие супердеформированны: состояний - появились первые работы, связывающие SU(3)-симметриі этих состояний с симметрией мультикластерной системы.
Обобщая позволительно, по всей видимости, говорить о специ фическои мире кластерных явлений, где действуют весьма неожидан ные закономерности, где далеко не все свойства процессов понятны Этот "мир" имеет глубокие связи с другими свойствами ядер: оболо чечными," коллективными и др. В нем ярко проявляются и свойств ядерных процессов: адиабатичность или неадиабатичность, зависи мость от переданного импульса, прямой, статистический или боле сложный характери многие другие. Кластерные степени свободы за трагивают. с одной стороны, значительное число ядерных фермионов
, с другой стороны - далеко не все. В этом смысле они занимают ложение между одночастичныыи и коллективными и, в принципе, бо-е сложны. Исследование большинства перечисленных связей с неходимостью требуют исследования не только привычных двух-, ех- и четырехнуклонных бинарных степеней свободы, но многофер-ониых и мультикластерных.Именно это определяет общетеоретиче-ую актуальность темы настоящей работы.
Дополнительными показателями актуальности могут служить воэ-жность развития методов, используемых для описания кластерных лений в ядрах на другие разделы: молекулярную физику, физику ердого тела и физику элементарных частиц, а также влияние раз-тия этой области исследований на понимание общих принципов ква-овой механики, в частности, принципа неразличимости тождествен-х частиц. Только на основе этих методов возможно серьезное ис-едование механизмов ядерных реакций с сильной перестройкой -льшим изменением массы хотя бы одного из сталкивающихся ядер, о, в свою очередь, вносит вклад в теорию ядерных реакций, дает зможность понять механизмы более простых процессов.
Сформулируем главные цели работы.
-
Развитие теоретических методов физики кластеров на много-рмиоиные (с числом фермионов Х>4) кластерные степени свободы омных ядер. Сюда включаются двухтельные кластерные каналы с тя-лыми нуклонными кластерами в основных и возбужденных состояни-, многокластерные каналы, виртуальные каналы с мультикварковыми астерами, характеризующие ядро как кварковую систему.
-
Развитие математического аппарата кластерных характерис-к - эффективных чисел, спектроскопических амплитуд, спектроско-ческих факторов, кластерных формфакторов - атомных ядер на Нечисленные в пункте 1 степени свободы.
-
Создание на базе развитых методов теории кластерной радиоактивности тяжелых ядер, описание свойств ядерных реакций с многофермионными кластерами.
-
Качественное (на основе полученных для этого правил отбора) исследование предельно тяжелых кластерных каналов с целью понять взаимоотношение классических кластерных реакций с процессами деления ядер, слияния тяжелых ионов, реакциями глубоконеупругих передач. Выяснение масштаба и форм проявления тяжелой кластеризации в ядрах, ее связи с температурой и формой ядра, эффектами ну-клон-нуклонных корреляций в ядрах.
-
Обогащение методов исследования обычных двух-, трех-, четырехфермионных кластерных каналов новыми подходами, разработанными в теории многофермионных кластерных степеней свободы.
-
Построение на базе развитого математического аппарата моделей, учитывающих как кластерные (мультикластерные), так и фер-мионные степени свободы в системах со статической кластеризацией - как нуклонных, так и кваркових. Описание в этих моделях свойств статически кластеризованных ядерных систем.
Осуществление перечисленных целей позволило поставить и решить следующие вопросы, определяющие, на взгляд автора, научную новизну и значимость работы:
1. Для ядер произвольной массы развит ряд методов вычисления кластерных характеристик различного уровня универсальности, позволяющих решать самые разнообразные классы задач, включая расчеты для высоких возбуждений и достаточно больших масс кластеров (А ^40). Особое место среди них занимают метод операторов рождения осцилляторных квантов, как наиболее универсальный, метод трансформационных скобок Якоби, наиболее удобный при расчетах, касающихся возбужденных кластеров, и метод мультикластерного
іредставления, нашедший применение для решения проблемы кластер-[ой радиоактивности и кварковых задач.
-
Построена теория мультикластерных степеней свободы много->ермионных систем. Подход дает возможность изучать как объекты, ібладающие свойствами статически мультикластеризованных систем, -ак и не обладающие этими свойствами, в частности типичные оболо-іечние ядра. Для ядер lp-оболочки создан общий формализм вычисле-!Ия мультикластерных характеристик, позволяющий рассчитать их для іроизвольного числа произвольных состояний кластеров. Таким обра-)0м возможности исследования процессов, затрагивающих мультиклас--ерные свойства этих ядер в части, касающейся их структурных осо-їенностей, становятся эквивалентными возможностям исследования )бычных кластерных процессов.
-
Создана микроскопическая теория кластерной радиоактивности тяжелых ядер - нового, открытого в 1984 году процесса. Теория универсальна - ее математический аппарат позволил рассчитать все ізвестньїе примеры кластерного распада четно-четных ядер с выходом іетно-четньїх кластеров, дать реалистические обоснованные опытом ісследований а-распада оценки распада нечетных ядер, а также дать іредсказания вероятности выхода кластеров произвольной массы ірактически для всех перспективных случаев. В схеме отсутствуют іараметрьі, извлекаемые из экспериментов по кластерной радиоактив-іости. Результаты расчетов дают хорошее описание эксперимента, ^аботы автора были первыми среди теоретических работ, посвященных микроскопическому описанию явления и по сей день остаются наибо-тее широкими по охвату проблемы работами такого класса. В едином юдходе рассматриваются: абсолютные ширины всех измеренных процессов, четно-нечетные эффекты, тонкая структура, тяжелые и сред-оіе ядра-эмитеры и др. Теория процесса демонстрирует яркое прояп-
ление сверхтекучих свойств атомного ядра в процессах кластерной радиоактивности, влияние на их константы эффектов отдачи и изменения деформации ядра в процессе распада. В новом свете представлена проблема взаимодействия в конечном состояния в системе тяжелый кластер - тяжелое ядро.
Развит также простой обладающий высокой точностью полуэмпирический метод вычисления ширин кластерной радиоактивности, позволяющий получать их для четно-четных ядер и кластеров, для которых измерен хотя бы один такой переход.
Предсказано существование тонкой структуры процесса кластерной радиоактивности, позже открытой экспериментально в Сакле (Франция).
Даны предсказания перспективных для измерения примеров кластерного распада средних нейтронодефицитных ядер. Первые эксперименты, инициированные этими предсказаниями (все другие работы давали много меньшие вероятности распада), демонстрируют хорошее согласие с теорией.
-
Методами теории групп проведено качественное исследование предельно тяжелых кластерных каналов для ядер произвольной массы. Обнаружено универсальное свойство этих каналов, получившее название "структурный запрет тяжелой фрагментации атомного ядра" специфическое правило отбора для состояний таких кластеров.
-
Разработан микроскопический подход к вычислению эффективных чисел (статистических весов) мультикварковых флуктонов в атомных ядрах произвольной массы. Вычислены веса 6g-, 9q- и 12д-флуктонов. Показана малость веса более тяжелых. Дано микроскопическое обоснование используемым ранее другими авторами феноменологическим формулам, выяснен смысл входящих в них параметров.
6. На базе формализма эффективных числел 6
ах рассчитаны сечения реакций {p,p'd) на ядрах с вылетом дейтро-ов с импульсом, близким к максимально допустимому при данной нергии протонов. Обнаружен эффект "кваркового усиления" подобных роцессов, т.е. увеличения сечений таких процессов при использо-ании кварковой модели по сравнению с сечениями в нуклонной.
-
Построена модель дейтрона как сильно кластеризованной ше-тикварковой системы. Изучены эффекты обмена кварками между нук-онами в частности появление за их счет изобарных компонент (А+А, +JV и т.д.) в волновой функции дейтрона. Предложено изучать эти омпоненты в столкновениях релятивистских дейтронов с ядрами.
-
Решена проблема статистического веса каналов со скрытым ветом для мультикварков, более тяжелых, чем 6
-
Сформулирована и решена проблема нуклонных степеней сво-оды кластеризованных ядерных систем. Для этого создана антисим-етризованная версия известной ранее мультикластерной динамичес-ой модели ядра, где конституентами являлись а-частицы и не вхо-ящие в них валентные нуклоны. Модель позволяет учесть множество войств реальной мультикластерной системы и этим существенно пре-осходит метод резонирующих групп. В результате получено хорошее писание почти всех наблюдаемых характеристик ядер массы А=6.
В рамках этой модели разработан общий метод теоретико-руппового анализа наблюдаемых, зависящих и не зависящих от эф-ектов обмена нуклонами между кластерами, позволяющий не проводя ычислений определять, является ли расчет данной величины в обыч-ой мультикластерной модели достаточным или необходимо использо-ать антисимметризованную мультикластерную модель.
Развит аппарат кластерных характеристик ядер в антисимметри-ованной версии мультикластерной динамической модели. Этот аппа-ат дает возможность рассчитывать их как для каналов, соответ-
ствующих начальной кластеризации (с определенной натяжкой Ы—>a+d), так и для несобственных ( Li—t+ Не).
Результаты, представленные в пп. 1-9, выносятся на защиту. Практическая ценность. Представленный в настоящей работе математический аппарат вычисления кластерных характеристик был использован многими исследовательскими группами. Опубликовано несколько статей, в частности ряд статей польских теоретиков в журнале Nuclear Physics (например (3]), основные результаты которых - таблицы спектроскопических амплитуд, рассчитанных развитыми в настоящей работе методами. Два из представленных методов реализовано в программах DESNA и SK1F, созданных в ИЯИ АН Украины.
Микроскопическая теория кластерной радиоактивности послужила основой для постановки эксперимента, завершившегося обнаружением тонкой структуры распада. Другой эксперимент, основанный на предсказанной этой теорией большой по сравнению с другими расчетами величине константы распада Ва—' С+ Sn, вошел в программу важнейших работ ЛЯР ОИЯИ.
Признано перспективным предложение изучать кварковую структуру дейтрона, в частности, существоание в нем возбужденных нук-лонных изобар, в реакциях id,Nn) на ядрах в экспериментах на ускорителях ЛВЭ ОИЯИ.
При планировании эксперимента могут найти применение величины констант кластерного распада, рассчитанных в микроскопическої или полуэмпирическом подходах.
Предскаэаный мультикластерной динамической моделью с антисимметризацией третий максимум магнитного формфактора ядра Li і упругом соударении и неупругом переходе (1 О * 0 1) также является хорошей основой для экспериментов.
Публикации и апробация работы. Результаты, составившие дан-
ую работу, были представлены в монографии /1/, обзоре /2/, вошли качестве раздела в монографию /3/, а также были опубликованы в і статьях (ссылки /4 - 27/), б докладах (ссылки /28 - 33/) в 5орниках отечественных и международных конфереций, нескольких репринтах и тезисах различных конференций . По теме работы било целано несколько десятков устных докладов и сообщений на между-ародных и отечественных конференциях. Среди них - доклады на 28, Э, 32, 35, 39, 40, 42 Международных совещаниях по ядерной спек-роскопии и структуре атомного ядра; 8, 9, 10, 11, Международных эминарах по проблемам физики высоких энергий; 3 и 4 Сессиях от-їлєния Ядерной физики РАН, 1 и 2 Международных конференциях по роблемам физики кластеров в атомах и ядрах (Турку 1991, Санторин Э93); Международной конференции по физике кластеров (Киото Э88); 1 и 2 Международных школах по ядерной физике (Киев 1991, J92); ряде всесоюзных и международных конференций по физике си-гем нескольких тел; нескольких совещаниях по физике тяжелых ио-эв (Ужгород 1984, Бухарест 1992, Дубна 1993) и многие другие, соло 20 таких докладов сделано автором. Значительное число док-ідов было сделано на семинарах в ведущих ядерных научно-гследовательских центрах России и других стран.
Структура и объем диссертации. Она состоит из введения, ше-ги глав, заключения и списка литературы, включающего 370 библио-рафических ссылок. Общий объем диссертации составляет 448 стра-щ, включая 38 рисунков и 62 таблицы. Приложения занимают 69 границ, а список литературы - 36 страниц.
! 3
