Введение к работе
Актуальность проблемы. Открытие аналогового резонанса в (/Ля)-реакции в 1961 году положило начало экспериментальному и теоретическому исследованию зарядово-обменных возбуждений в атомных ядрах. Появилась возможность объяснять подавленность разрешенных (3-переходов (Фермиевских и Гамов-Теллеровских) влиянием соответствующих резонансов. Гигантский Гамов-Теллеровский резонанс (ГТР) был экспериментально обнаружен в 1975 году в США. За несколько лет до этого проводились теоретические исследования зарядово-обменных возбуждений и первые расчеты энергий и матричных элементов ГТР [1-3] представлены в настоящей работе. Эти расчеты были выполнены в рамках теории конечных ферми-систем А.Б. Мигдала и, как показано в работе, довольно хорошо описывают, полученные позже экспериментальные данные. Зарядово-обменные возбуждения определяют распадные характеристики ядер, такие как период полураспада Ту2 , вероятности эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления, и связаны с фундаментальными свойствами ядерного взаимодействия. Интерес к исследованию зарядово-обменных возбуждений и гигантских резонансов не ослабевает, регулярно проводятся международные конференции и симпозиумы.
Развитие теории ГТР и коллективных зарядово-обменных состояний позволило на микроскопическом уровне рассчитывать распадные характеристики и прогнозировать свойства ядер с неизвестными схемами распада. Наиболее интересным в начале 1980-х годов было исследование экзотических ядер и, в первую очередь -ядер, удаленных от области бета-стабильности. Исследование ядер, удаленных от области стабильности, является в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений ядерной физики. Для того чтобы иметь возможность изучать ядра вблизи границ нуклонной стабильности, сами граничные ядра, новые тяжелые и сверхтяжелые изотопы, строятся новые мощные экспериментальные установки и модернизируются старые
В отдельное направление фактически выделилось исследование ядер с большим избытком нейтронов, которое раньше имело прикладной характер, связанный с изучением короткоживущих ядер-продуктов деления. Особенную значимость этому направлению придала связь с ядерной астрофизикой, с теорией нуклеосинтеза,
интенсивное развитие которой дали разработки математической модели, описывающей образование нуклидов в интенсивных нейтронных потоках при астрофизических условиях [15-18]. В настоящее время проблемы астрофизики и физики экзотических ядер тесно переплетены. Для прогнозирования свойств этих ядер необходим расчет коллективных зарядово-обменных состояний и, в первую очередь, гигантского Гамов-Теллеровского резонанса.
Таким образом, в теоретическом плане естественно объединяются два направления связанные, во-первых, с изучением коллективных зарядово-обменных состояний ядер и, во-вторых, с прогнозированием свойств нейтронно-избыточных ядер. Исследования в рамках такого объединенного направления актуальны и имеют перспективу, связанную с решением проблем ядерной физики (получение, прогнозирование и изучение свойств новых нейтронно-избыточных ядер) и астрофизики (нуклеосинтез, космохронология и др.), а также, для решения прикладных задач реакторной, нейтринной физики и геофизики.
Цель работы состоит в развитии физики ядерных резонансов и других, коллективных зарядово-обменных состояний, процессов их возбуждения и распада, влияния на свойства ядер с большим избытком нейтронов; в изучении структуры и распадов нейтронно-избыточных ядер, их поведения вблизи границы нейтронной стабильности и в процессах быстрого нуклеосинтеза, протекающего при взрывах звезд и в ядерных взрывах, в изучении и моделировании этих процессов; в моделировании процессов захвата нейтрино в веществе детекторов; а также, процессов протекающих в ядерно-физических установках реакторного типа и сопровождающихся испусканием жесткого анти-нейтринного излучения, с целью разработки нового поколения мощных ve -источников для нейтринных экспериментов и диагностики внутриреакторных процессов.
Научная новизна работы. А. Впервые, задолго до эксперимента представлено наиболее полное описание гигантского Гамов-Теллеровского резонанса и других коллективных зарядово-обменных возбуждений ядер. 1. Применение теории конечных ферми-систем А.Б. Мигдала позволило впервые рассчитать энергии, матричные элементы и структуру коллективных зарядово-обменных состояний большой группы сферических ядер и предсказать основные параметры
гигантского Гамов-Теллеровского резонанса и лежащих ниже коллективных изобарических состояний этих ядер.
2. В рамках микроскопического расчета предсказано вырождение
Гамов-Теллеровского и аналогового резонансов с ростом нейтронно
го избытка, что впоследствии с хорошей точностью подтвердилось в
экспериментах.
3. Предсказано восстановление вигнеровской SU(4) суперсимметрии в
нейтронно-избыточных ядрах. Проведен анализ возможности описа
ния масс ядер в рамках SU(4) суперсимметрии и показано хорошее со
гласие полученных теоретических значений массовых отношений с
экспериментальными по большому количеству ядер.
Б. Исследованы проиессы, сопровождающие бетараспад нейтронно-избыточных ядер, разработаны методы описания этих процессов.
1. Впервые в рамках микроскопического подхода проведены расчеты
периодов полураспада большой группы ядер и дано объяснение
увеличения подавленности разрешенных Р-переходов с ростом
нейтронного избытка.
Для ядер с большим избытком нейтронов проведены расчеты вероятностей эмиссии запаздывающих нейтронов и впервые для эффектов эмиссии 2-х и трех запаздывающих нейтронов. Разработаны методы описания мультинейтронной (3-задержанной эмиссии с учетом образования динейтронной пары.
Дано описание эффекта запаздывающего деления в тяжелых нейтронно-избыточных ядрах и показано, что этот эффект проявляется при формировании концентрации нуклидов образующихся при ядерных взрывах.
В. Исследована структура нейтронно-избыточных ядер, их поведение вблизи границы нейтронной стабильности.
Предсказана возможность появления новой области деформации нейтронно-избыточных ядер, что впоследствии подтвердилось в экспериментах.
Предсказано, что изотопы натрия 39Na (W=28), кислорода 2бО и "дважды магический" О (Z=8, N=20) являются нестабильными и должны находиться за границей нейтронной стабильности, а последними нуклонно стабильными являются изотопы мО (N=16) и J/Na (N=26), что подтвердилось экспериментами.
Дано описание эффекта разрушения оболочечной структуры для нейтронно-избыточных ядер с числами нейтронов N=20 и jV=28
расположенными вблизи границы нейтронной стабильности, получено, что новыми магическими числами могут быть N= 16 и N= 26. Г. Моделирование процесса нуклеосинтеза.
Разработана и реализована математическая модель нуклеосинтеза с учетом ядерных превращений нейтронно-избыточных ядер, проведены расчеты скорости протекания процесса быстрого нуклеосинтеза и формирования нуклидного состава среднетяжелых ядер.
Дано описание влияния эффекта эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления на формирование распространенности ядер в процессе быстрого нуклеосинтеза. Впервые численно показано, что ((3,л)-процесс сглаживает первоначальную кривую распространенности нуклидов и приближает ее к экспериментальной.
3. В модели быстрого нуклеосинтеза методом уран-ториевых
изотопных отношений проведены расчеты возраста вещества Галак
тики и впервые показана сильная зависимость этой рассчитываемой
величины как от параметров используемой модели нуклеосинтеза и от
прогнозируемых характеристик нейтронно-избыточных ядер, так и от
рассматриваемого сценария формирования Галактики.
Д. Моделирование физических процессов в ядерно-физических установках связанных с проектами в нейтринной физике.
1. Проведены расчеты процесса захвата нейтрино в веществе детекто
ров солнечных нейтрино. Показано существенное влияние гигантско
го Гамов-Теллеровского резонанса на сечения o(v, А).
2. Представлен анализ возможности использования детекторов
солнечных нейтрино в реакторных экспериментах.
3. Развита концепция интенсивного источника нейтрино на базе
мощных ядерно-физических установок. Проведено математическое
моделирование физических процессов, протекающих в литиевом
конверторе реакторных нейтронов в антинейтрино, оптимизированы
режимы работы установки, её геометрические параметры и химиче
ский состав вещества конвертора.
Практическая ценность работы. Работа имеет значение для теории ядра: для развития представлений о ядерных резонансах, процессах их возбуждения и распада; для описания структуры ядер с большим избытком нейтронов и процессов их распада, в том числе с испусканием запаздывающих нейтронов и делением.
Результаты работы использовались в прикладных расчетах: 1) для изучения характеристик облученного ядерного топлива, таких как
интегральные радиационные характеристики, характеристики запаздывающих нейтронов (потоки и спектры ЗН), спектры антинейтрино, накопление нуклидов в реакторах различных типов; 2) при моделировании нейтронных полей в различных ядерно-физических установках и в геофизических исследованиях; 3) для решения задач безопасности ядерных реакторов и моделировании аварийных ситуаций; 4) при моделировании процессов образования трансурановых элементов в условиях интенсивных нейтронных потоков термоядерных взрывов. Эти расчеты вошли в более чем 30 отчетов РНЦ «Курчатовский институт», ОИЯИ и МИФИ.
Результаты работы использовались так же при подготовке и интерпретации экспериментов по получению нейтронно-избыточных ядер в ОИЯИ (Дубна) и GANIL (Франция); экспериментов по изучению мультинейтронной бета задержанной эмиссии во французском ядерном центре в Страсбурге; экспериментов по обнаружению изотопа О и проверке нуклонной нестабильности О и О проводимых совместно GANIL (Франция) и ЛЯР ОИЯИ (Дубна); экспериментов по измерению силовой функции Хе и других изотопов в США.
На базе полученных результатов изданы учебные пособия и прочитаны лекции в МИФИ, ОИЯИ, ЛИЯФ, в институте им. Макса Планка (Гейдельберг, Германия) и университете Лодзи (Польша).
Положения и результаты, выносимые на защиту. 1. Микроскопическое описание коллективных зарядово-обменных состояний сферических ядер.
Описание Гамов-Теллеровского резонанса, расчеты его положения, матричных элементов и структуры для большой группы сферических ядер.
Предсказание и расчеты энергетического вырождения Гамов-Теллеровского и аналогового резонансов.
1.3. Предсказание восстановления вигнеровской SU(4) суперсиммет
рии в нейтронно-избыточных ядрах, доказательство возможности
описания в рамках SU(4) симметрии масс ядер с хорошей точностью.
1.4. Описание коллективных изобарических состояний - сателлитов
ГТР для нейтронно-избыточных ядер.
2. Разработка методов описания процессов, сопровождающих бета-распад нейтронно-избыточных ядер.
2.1. Расчеты периодов полураспада нейтронно-избыточных ядер, объяснение подавленности разрешенных (3-переходов.
Расчеты вероятностей эмиссии запаздывающих нейтронов в нейтронно-избыточных ядрах.
Описание эффекта мультинейтронной бета задержанной эмиссии, расчеты вероятностей мультинейтронной эмиссии с учетом образования динейтронной пары.
Описание эффекта запаздывающего деления в тяжелых нейтронно-избыточных ядрах и расчеты проявления этого эффекта в экспериментальных термоядерных взрывах.
3. Описание свойств ядер, расположенных вблизи границы нейтронной стабильности.
Описание новой области деформации нейтронно-избыточных ядер.
Расчет свойств ядер от кислорода до магния расположенных вблизи границы нейтронной стабильности. Предсказание нестабильности изотопов натрия Na, кислорода О и О, и нуклонной стабильности изотопа
Описание эффекта разрушения оболочечной структуры для нейтронно-избыточных ядер с числами нейтронов N= 20 и N= 28.
4. Моделирование нуклеосинтеза в процессах нейтронного захвата.
Разработка и реализация математической модели нуклеосинтеза. Расчеты скорости протекания процесса нуклеосинтеза и формирования нуклид ного состава среднетяжелых ядер.
Описание влияния эффекта эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления на формирование распространенности ядер в процессе нуклеосинтеза.
Расчеты возраста вещества Галактики - TG методом уран-ториевых изотопных отношений в модели быстрого нуклеосинтеза и изучение зависимости рассчитываемой величины TG от параметров модели, а так же от сценария формирования Галактики.
5. Моделирование физических процессов в ядерно-физических установках связанных с проектами в нейтринной физике.
5.1. Описание процесса захвата нейтрино в галлий-германиевом и йод-
ксеноновом детекторах и анализ возможности использования
детекторов солнечных нейтрино в реакторных экспериментах.
5.2. Концепция интенсивного источника антинейтрино на базе
мощных ядерно-физических установок.
5.3. Моделирование процессов в литиевом конверторе реакторных
нейтронов в антинейтрино.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях и сессиях Отделения ядерной физики РАН, на ежегодных Совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (1970-2010), на Международных конференциях: по нейтронной физике (Киев 1980-1988), по избранным вопросам структуры ядра (Дубна 1989), "Nuclei far from Stability"(Rosseau Lake, Canada 1987; Kues, Germany 1992), "Слабые взаимодействия при низких энергиях"(Дубна 1990), "Nucleus-Nucleus Collisions"(MocKBa 2003), "Неускорительная новая физика"(Дубна, 2003, 2005); на XVI Генеральной Ассамблее "Annals Geophysics"(Weisbaden, Germany, 1991), на Международных симпозиумах: "Nuclear Exited States"(Jlofl3b, Польша, 1993) и "Вопросы разработки методик планирования и подготовки мероприятий по защите населения в случае запроектной аварии на АЭС"(Варна, Болгария, 1990) и др., а также на научных семинарах и конференциях в РНЦ "Курчатовский Институт", ИЯИ, ФИАН, ОИЯИ, ИТЭФ, МИФИ, Института им. Макса Планка (Гейдельберг, Германия), GANIL (Франция) и др. научных центров.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 обзора и более 90 печатных работ. На основе материалов диссертации издано 4 сборника лекций и опубликовано 6 учебно-методических работ общим объемом более 15 п/л. Список основных работ приведён в конце автореферата.
Личный вклад. Автором разработано и активно развивается новое направление в ядерной физике, связанное с изучением коллективных зарядово-обменных состояний ядер и прогнозированием свойств нейтронно-избыточных ядер. Дано микроскопическое описание Гамов-Теллеровского резонанса и других коллективных изобарических состояний, расчеты их энергий, матричных элементов и структуры для большой группы сферических ядер. Проведены расчеты вырождения Гамов-Теллеровского и аналогового резонансов и предсказано восстановление вигнеровской SU(4) суперсимметрии в нейтронно-избыточных ядрах. Автор был инициатором и участником исследований новых процессов распада - мультинейтронной бета задержанной эмиссии и запаздывающего деления в нейтронно-избыточных ядрах. Им предложена и развита идея появления новой области деформации ядер с jV=20-28, расположенных вблизи границы нейтронной стабильности и разрушения стандартной оболочечной структуры в этих ядрах. Проведены многочисленные расчеты свойств
нейтронно-избыточных ядер как вблизи границы нейтронной стабильности, так и за её пределами. По инициативе и при непосредственном участии автора проводились теоретические исследования структуры и вероятностей различных каналов распада нейтронно-избыточных ядер и их проявлений в астрофизических процессах и при формировании концентрации нуклидов образующихся при ядерных взрывах. Начаты и проделаны работы по расчету величины возраста вещества Галактики - TG в модели быстрого нуклеосинтеза и изучены зависимости TG от параметров модели, а так же от сценария формирования Галактики. Дано описание процесса захвата нейтрино в галлий-германиевом и йод-ксеноновом детекторах, рассчитаны соответствующие силовые функции и сечения. Проведен анализ возможности использования детекторов солнечных нейтрино в реакторных экспериментах. Развита концепция интенсивного источника нейтрино на базе мощных ядерно-физических установок. Автор был инициатором и участником большого числа работ, в которых развитые теоретические методы использовались для решения прикладных задач. В диссертацию включены материалы, полученные при непосредственном и активном участии автора на всех этапах работы. Автор лично ставил новые задачи, отраженные в диссертации, решение которых получено либо автором лично, либо в получении которых автор внёс определяющий вклад.
Автор искренне благодарен своим коллегам и соавторам. Особую благодарность автор приносит профессору Ю.В. Гапонову за большое внимание, плодотворные дискуссии, советы и всемерную поддержку.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, 6 глав, и Заключения. Общий объем работы составляет 177 страниц, включая 64 рисунка, 12 таблиц и списка цитируемой литературы 302 наименований, из них 95 с участием автора.
