Введение к работе
Актуальность темы.
100 лет, последовавшие после открытия Беккерелем радиоактивности (1896 г.), превратили ядерную физику из предмета, привлекавшего умы нескольких энтузиастов, в одну из важнейших отраслей современной науки. Ядерная физика дала беспрецедентные в истории человечества практические приложения, ознаменовалась гигантскими достижениями в области экспериментальной техники и вылилась в вершины теоретической мысли, имеющие общефилософскую ценность. Дав новый импульс другим фундаментальным наукам - например, астрофизике и космологии - и породив новые науки - прежде всего, физику элементарных частиц, - ядерная физика около двух-трех десятилетий тому назад вступила в фазу определенной стагнации.
Около 10 лет назад в Беркли были созданы вторичные пучки радиоактив- пых ядер, что положило начало новому этапу ядерно-физических исследований. Первые же эксперименты со вторичными пучками, в которых измерялись сечения взаимодействия с помощью простейшего метода пропускания, дали сенса-дионый результат. Было обнаружено гигантское нейтронное гало в нейтрон-яоизбыточном ядре llLi (I.Tanihata, 1985 г.) - пространственная локализация двух валентных нейтронов за пределами кора 9Li на расстояниях, превышающих радиус действия ядерных сил и соответствующих подбарьерной области, которая запрещена в классической физике. Экзотические ядерные системы с большим избытком нейтронов или протонов и ранее привлекали к себе внимание исследователей. Однако именно после упомянутого открытия значительная (если не основная) часть работ, проводимых в области фундаментальной ядерной физики, сфокусировалась на ядрах вблизи границы стабильности. Важным обстоятельством здесь явилось то, что успех использования радиоактивных пучков в Беркли стимулировал создание в мире целой плеяды установок по производству вторичных пучков. В ряду этих установок выделяются по своим экспериментальным возможностям прежде всего фрагмент-сепаратор RIPS в научном центре RIKEN (Япония), а также FRS в GSI (Германия) и А1200 в MSU (США). В настоящий момент исследования с.радиоактивными пучками безусловно находятся на подъеме, что находит отражение в большом числе строящихся и проектируемых установок.
Успешный опыт работы со вторичными пучками в Беркли и последующее развитие техники получения таких пучков в других научных центрах обеспечило новые и уникальные возможности для исследования экзотических ядерных систем. Если в предшествовавший период исследования были сосредоточены на
изучении ядер с близким числом нейтронов и протонов, то теперь' открылись перспективы систематического изучения ядер с большим избытком нейтронов или протонов, т.е. в режиме экстремальных значений изоспина.
Настоящая диссертация посвящена исследованиям экзотических ядерных систем вблизи и за границей нуклонной стабильности с использованием вторичных пучков радиоактивных ядер. Значительную часть работы составили соответствующие теоретические исследования.
Цель диссертации
Задачей явилось проведение экспериметальных, а также теоретических исследований легких нейтронноизбыточных ядер, в области которых можно продвинуться особенно далеко от линии стабильности. А именно:
1) исследовались тяжелые изотопы гелия:
6Не, который является очевидной стартовой точкой в деле изучения ядерных
систем, удаленных от долины стабильности;
8Не - ядро, которое имеет наибольший нейтронный избыток (N/Z = 3) среди
всех известных связанных ядер и которое содержит 4 валентных нейтрона -
абсолютный рекорд среди всех гало;
10Не - ядро, которое представляет собой, вероятно, одну из самых интересных
задач современной ядерной физики;
2) в ходе изучения ядер, удаленных от линии стабильности, в последнее время
основным объектом исследований являлся 11Li, а вторым ядром, приближаю
щимся по числу публикаций к nLi, был нейтронноизбыточный изотоп пВе.
В диссертации проведены исследования более нейтронноизбыточных, чем 11Ве,
изотопов бериллия - 12Ве, 13Ве и 14Ве.
Научная новизна работы
Первоначально эксперименты со вторичными пучками сводились к измерениям интегральных сечений для радиоактивных ядер и распределений частиц, испускаемых при фрагментации таких ядер. Эксперименты по спектроскопии экзотических ядер, вошедшие в настоящую работу наряду с исследованиями упругого рассеяния, явили собой следующий шаг в деле использования вторичных пучков.
С методической точки зрения проведенные эксперименты отличает следующее:
Во-первых, они стали первыми корреляционными измерениями в методе недостающей массы со вторичными пучками.
Во-вторых, одновременно с двумя опытами других авторов был впервые применен метод инвариантной массы. В наших измерениях эта методика была тщательно проверена путем сопоставления с результатами, полученными в ходе того же эксперимента в независимом методе недостающей массы. Помимо этого в методе инвариантной массы впервые были использовали толстые мишени, которые абсолютно не преемлемы в традиционных методиках, но которые, как было показано, совершенно адекватны методу инвариантной массы. Такие мишени позволяют решить одну из ключевых проблем в опытах со вторичными пучками - проблему темпа набора статистики.
В-третьих, впервые были использованы бинарные пучки радиоактивных ядер, что позволяет проводить два разных исследования одновременно.
В целом, для проведения экспериментов была собрана уникальная детектирующая система, позволившая, например, наблюдать в столкновениях 8Не+р столь экзотические события, как совпадения протона и 6Не"(2+), который нестабилен и распадается на три частицы; подобное измерение стояло бы в ряду сложнейших даже для пучков стабильных ядер.
В ходе проведенных экспериментальных, а также теоретических исследований были изучены нейтронноизбыточные системы 6Не, 8Не, 10Не, 12Ве, ,3Ве и 14Ве. При этом из числа полученных впервые можно выделить следующие результаты:
Теоретический анализ имеющихся экспериментальных данных по фрагментации 6Не позволил впервые выявить основные черты механизма фрагментации подобных ядер.
Получены первые экспериментальные данные по рассеянию 8Не+р и 6Не+р. Эксперимент по рассеянию 8Не+р был первым спектроскопическим исследованием со вторичным пучком.
Сравнительный анализ данных по упругому рассеянию р+^Не, 6Не+р, p+6Li, 8Не-Ьр, 9Li+p, uLi+p впервые продемонстрировал различие эффектов проявления нейтронного гало в nLi и neutron skin в 6,8Не.
Разработана пятичастичная модель а+4п для основного состояния ядра 8Не, и впервые предсказаны экзотические пространственные корреляции четырех валентных нейтронов в 8Не.
В результате микроскопического расчета впервые предсказана возможность существования 10Не как узкого трехчастичного резонанса.
Проведен эксперимент, позволивший впервые обнаружить резонанс 10Не.
Наблюдены уровни ядра 12Ве, являющиеся кандидатами на состояния с экзо-
тической квазимолекулярной структурой типа Не+Не (или а+а+4п). (
— Проведено первое спектроскопическое исследование реакции передачи со вто
ричным пучком (спектроскопия 13Ве).
Научная и практическая ценность работы
Развиты наиболее совершенные на данный момент методики измерений со вторичными пучками. Так, дальнейшее использование корреляционных-измерений в методе недостающей массы со вторичными пучками позволило недавно получить уникальные данные о возбужденном состоянии 11Li. Метод инвариантной массы с успехом используется в настоящее время почти во всех научных центрах, где ведутся исследования со вторичными пучками (GSI в Германии, MSU в США, RIKEN в Японии).
Получена спектроскопическая информация об экзотических нейтронноиз-быточных изотопах гелия и бериллия. В частности, обнаружен резонанс 10Не
- ядро с самым большим нейтронным избытком (N/Z = 4) среди всех ныне из
вестных связанных и несвязанных ядерных состояний. Эти спектроскопические
результаты инициировали проведение соответствующих расчетов в нескольких
теоретических группах.
Получены угловые распределения для упругого рассеяния на протоне ядер 6Не, 8Не (при разных энергиях) и 12Ве. Эти результаты используются (в том числе и другими авторами) для изучения структуры основных состояний данных ядер.
Основные черты механизма фрагментации, выявленные на примере фрагментации вНе (и подтвержденные для случая фрагментации 8Не), прояснили ситуацию с интерпретацией соответствующих экспериментальных результатов. Ранее при теоретическом изучении фрагментации экзотических ядер использовалась традиционная модель Сербера, и ситуация с интерпретацией экспериментальных данных была противоречивой. В настоящее время найденное влияние механизма фрагментации на распределения фрагментов является общепризнанными и непременно учитывается при исследовании фрагментации других экзотических ядер.
Теоретический расчет 10Не стимулировал постановку эксперимента по поиску этого ядра и объяснил малую ширину 10Не как следствие трехчастичной природы данного резонанса.
Разработанная пятичастичная модель основного состояния 8Не дала добротную волновую функцию и показала наличие экзотических корреляций валентных нейтронов в этом ядре. В настоящее время полученная волновая функция 8Не используется в литературе разными авторами.
Основные результаты, выносимые на защиту
1. Развиты методики проведения экспериментов со вторичными пучками ра
диоактивных ядер: корреляционные измерения в методе недостающей массы
и измерения в методе ипвариантпой массы.
6Не:
2. Имеющиеся экспериментальные данные из фрагментации вНе были проана
лизированы с использованием полученной в микроскопическом расчете вол
новой функции 6Не, и были выявлены основные черты механизма фрагмен
тации.
3. Экспериментально исследовано упругое рассеяние на протоне радиоактив
ных ядер 5Не и 3Н. Проведен сравнительный анализ полученных угловых
распределений с другими экспериментальными данными по рассеянию про
тонов на 3Не, бНе, 6Li, "Не, 9Li и nLi. Найдено отличие эффектов проявления
нейтронного гало в nLi и neutron skin в 6,8Не.
8Не:
4. Впервые экспериментально исследовано упругое рассеяние 8Не+р. В двух
независимых методах измерений и с большой статистической надежностью
наблюдено возбужденное состояние 8Не5.6(2+), отвечающее возбуждению ней
тронного гало (или neutron skin).
-
Разработана пятичастичная модель а+іп для основного состояния ядра 8Не. Получена волновая функция 8Не, предсказаны экзотические пространственные корреляции четырех валентных нейтронов в 8Не.
-
Проведен теоретический анализ, позволивший объяснить имеющиеся экспериментальные данные по фрагментации 8Не.
10Не:
7. В результате микроскопических расчетов 10Не впервые предсказана возмож
ность существования 10Не как узкого трехчастичного резонанса.
8. -Проведен эксперимент, позволивший впервые обнаружить резонанс 10Не.
12Ве:
9. Проведено спектроскопическое исследование 12Ве; обнаружены уровни 12Ве,
являющиеся кандидатами на состояния с экзотической квазимолекулярной
структурой типа Не+Не (или а+а+4п).
13Be:
10. Проведено первое спектроскопическое исследование реакции передачи со
вторичным пучком. Подтверждено существование состояния "Be при энер
гии 2 МэВ над порогом распада; получено указание на возможное существо
вание более высоколежащих уровней 13Ве.
14Ве:
11. Экспериментально исследовано возбуждение мВе - ядра с самым большим
из ныне известных изоспином. Наблюдено возбужденное состояние при Е* =
1.6 МэВ и получено указание на весьма вероятное существование уровня при
Е* = 4.1 МэВ.
Достоверность результатов
Надежность экспериментальных методов подтверждается наблюдением хорошо известных ядерных состояний (как, например, 6HeJ 8(2+)), совпадением результатов с полученными в независимых измерениях с использованием, в частности, других методик измерений, а также совпадением с результатами других авторов.
Наблюдение возбужденного состояния 8Не при Е* = 3.6 МэВ расходится с результатами ранних исследований, в которых, однако, статистическая надежность результатов была крайне низкой из-за огромных экспериментальных трудностей при изучении столь экзотических систем. Полученный результат полностью согласуется с первым измерением, проведенным с преемлемой статистикой (HMI, Берлин), и совсем недавно был подтвержден в эксперименте в GSI (Германия). Кроме того, в наших измерениях это состояние 8Не было наблюдено в независимых экспериментальных методиках и в различных экспериментах.
Обнаружение 10Не было подтверждено в двух независимых экспериментах, выполненных с использованием иных методик (А. N. Ostrowski et al., 1994 и Т. Kobayashi, 1996 г.).
Наблюдение состояния 13Ве при Е„_ізв« = 2 МэВ согласуется с первым результатом, полученным в Курчатовском институте в 1983 г., с результатом измерений в НМІ (Берлин, 1992 г.) и с недавним измерением в Дубне (1995 г.), проведенном с отличной статистической надежностью. Два более высоколежащих уровня 13Ве, указание на существование которых было получено в наших измерениях, были подтверждены в только что упомянутом эксперименте в Дубне. Наблюдение возбужденного состояния 14Ве при Е" = 1.6 МэВ согласуется с предыдущим экспериментом по спектроскопии этого ядра (Н. Bohlen et al., 1995 г.). На достоверность других экспериментальных результатов, пока еще не под-
твержденных в независимых измерениях, указывают только что перечисленные свидетельства надежности наших измерений.
Достоверность проведенных теоретических исследований подтверждается, в первую очередь, согласием с экспериментальными данными.
Апробация работы
Вошедшие в диссертацию результаты докладывались на следующих конференциях:
STA Forum for Multi-Disciplinary Researches, Kobe, Japan, March 1993
III International Conference on Radioactive Nuclear Beams, Michigan, USA, May 1993
Symposium on science of short-lived nuclear beams, INS, Japan, December 16 - 18, 1993
Meeting of Physical Society of Japan, Shizuoka, Japan, September 1994
Symposium on radioactive nuclei studies, INS, Japan, January 7 - 11, 1995
XV Nuclear Physics Divisional Conference, LEND 95, St. Petersburg, Russia, April 18 - 22, 1995
2nd RIKEN/INF (Italy) Joint Symposium, Wako, Japan, May 1995
Международное Совещание по Физике Ядра (XLVI Совещание по Ядерной Спектроскопии и Структуре Атомного Ядра), Москва, Июнь 18 - 22, 1996
XIII International Conference on Electromagnetic Isotope Separators and Techniques Related to their Applications, EMIS-13, Bad Durkheim, Germany, September 23 -27, 1996.
Приглашенные доклады по результатам, вошедшим в диссертацию, были представлены на коференциях:
International Symposium on Physics of Unstable Nuclei, Niigata, Japan, October
31 - November 3, 1994 - "
International Conference on Exotic Nuclei and Atomic Masses (ENAM-95), Aries, France, June 19 - 23, 1995
The Fourth International Conference on Radioactive Nuclear Beams, RNB-4, June 4 - 7, 1996, Omiya, Japan
International Workshop on Physics of Unstable Nuclear Beams, Serra Negra, Sao Paolo, Brazil, August 28-31, 1996
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 170 страниц; рисунков - 66.
