Экзотические ядра - ключ ко Вселенной

 

Другая природа может быть создана на кухне, доступной современным исследованиям. Ускорительные системы GSI могут создать экзотические ядра с экстремально высоким протонно-нейтронным соотношением, позволяющим глубоко проникнуть в загадки существования и устойчивости материи во Вселенной. По сравнению с другими нуклидами, так называемые магические ядра имеют особое значение.

Состояние материи на нашей планете не является типичным для остальной Вселенной. Внутри звезд и при взрывах сверхновых чрезвычайно высокие температуры и давления приводят к созданию частиц и ядер, которые при обычных условиях не существуют. Количество этих экзотических нестабильных ядер, перемешивающихся в котле Вселенной, находящихся далеко за пределами широкого спектра стабильных изотопов, обычно встречающихся на Земле.

Производство и исследование таких экзотических ядер в современных ускорителях редставляет интерес по двум причинам. Во-первых, мы можем проверить теоретические модели свойств ядер, только занимаясь поисками вне диапазона изотопов, доступных на Земле тем самым принимая во внимание более широкий возможный спектр ядер, представленных во Вселенной. Во-вторых, мы сегодня знаем, что синтез элементов в звездах имеет место с участием экзотических ядер. Распад этих ядер происходит через испусканием бета-частиц (т.е. высокоскоростных электронов) до появления стабильных ядер, известных на Земле. Таким образом, образование химических элементов (нуклеосинтез) и их распространенность определеяется  свойствами этих экзотических ядер.

GSI (расшифровывается Gesellschaft fur Schwerionenforschung, что в переводе означает "общество по изучению тяжелых ионов") - единственная ускорительная лаборатория в мире, обладающая возможностями для изучения всех без исключения ядер периодической системы: от легчайшего элемента - водорода, до самого тяжелого на сегодняшний день иcкусственно созданного элемента с атомным номером 111 (комментарий: статья была написана в 1995 году. К сегодняшнему дню известны элементы вплоть до 118-го). Дармштадт обладает оборудованием, способным давать пучки любых этих ядер в широком диапазоне энергии.

В принципе, метод производства ядер остается один и тот же: пучок частиц ускоряется на линейном ускорителе UNILAC или тяжелоионном циклотроне SIS и направляется на фольгу или кусок материи, называемый мишенью. На мишени происходят ядерные реакции и получаемые экзотически ядра отделяются сепараторами в соответствии с их зарядом и массой. Таким образом они становятся доступными для исследований.

При UNILAC существуют два сепаратора для низкоэнергетических ядер, каждый из них выполняет свои функции по-своему. В On-Line Mass Separator потоки экзотических ядер с низкой энергией образуются путем извлечения из мишени, расположенной за ионным источником, ускорением из в высоковольтном поле и последующим отделенем в магнитном поле от чистых изотопов.Напротив, скоростной фильтр SHIP, описанный в статье о синтезе элементов, использует электрические и магнитные поля для разделения продуктов реакции, которые остаются в полете и могут быть отделены от чрезвычайно нестабильных, короткоживущих ядер.

 

Исследование стабильности экзотических ядер

Ускоритель SIS способен создать пучки ионов с релятивистскими энергиями, т.е. со скоростями, близкими к скорости света. Это означает, что спектр ядер, которые могут быть экспериментально исследованы, существенно расширяется. В соединении с накопительным кольцом, фрагментный сепаратор делает возможным создать вторичный пучок этих экзотических ядер. На этом пути могут быть поставлены совершенно новые эксперименты с ядерноыми реакциями и ядерной структурой.

Наиболее важную информацию о стабильности атомных ядер дает их время жизни, или период полураспада. Когда ядро достигает границы стабильности, оно становится чрезвычайно короткоживущим и существует только малую долю секунды. Чрезвычайно чувствительные матоды, разработанные в GSI, позволяют даже определить занчение периода полураспада для ядер отдельных атомов. Так, в GSI было открыто не менее 5 новых элементов и около 150 новых изотопов. Информацию об их свойствах дает спектроскопия бета-распада - вида распада, наиболее часто встречающегося в природе. Период бета-распада экзотических ядер имеет фундаментальную важность для понимания структуры материи во вселенной.

Еще одним источником информации о стабильности является масса ядер. Зная массу, можно определить, насколько велика внутриядерная энергия связи. В GSI разработан новый метод, который позволяет определить массу нестабильных ядер с точностью, вполне достаточной для первоначального применения. Ядра, разделенные во фрагментном серапаторе, направляются в накопительное кольцо ESR, где они накапливаются и "охлаждаются" путем взаимодействия с электронным пучком, циркулирующим в кольце с той же самой скоростю. Однако, поскольку их массы различаются, они движутся в ESR по различным траекториям и имеют различное время циркуляции, а время циркуляции прямо связано с массой ядер. Точность и разрешение этого метода настолько хороши, что они могут даже различить ядра одного и того же изотопа в нормальном состоянии и в возбужденном состоянии. Это потому что энергия возбуждения ведет к увеличению массы.

Нельзя не отметить и такой тип ядер, как "магические". Они имеют особое значение. Если проводить аналогию с электронными оболочками, которые, будучи заполнены, порождают инертные газы, протоны и нейтроны в таких ядрах также формируют заполненные оболочки, что ведет к значительному увеличению стабильности ядер (поэтому их и называют "магическими"). Точное предсказание заполненной оболочки - очень важная проверка для моделей ядра, в частности, если ядра очень неустойчивы.

В области тяжелых элементов существуют только три стабильных "дважды магических" ядра, то есть ядра, в которых заполнены как протонные, так и нейтронные оболочки. Это кальций-40, кальций-48 и свинец-208. Если считать нестабильные ядра, то можно еще предсказать дважды магические оболочк: никель-56, никель-78, олово-100 и олово-132. Исследование этих ядер и их "окрестностей" очень важно для проверки и дальнейшей разработки теоретических атомных моделей.

После длительных попыток получено одно из этих ядер - олово-100. Это ядро не только имеет "дважды магическю структуру", но в нем также одинаковое количество протонов и нейтронов - этот изотоп обладает наивысшей степенью симметрии среди всех атомных ядер. Однако олово-100 очень далеко от линии стабильности и его экспериментальный синтез чрезвычайно сложен. Тем не менее, существование этого изотопа было подтверждено, когда он был впервые синтезирован в Дармштадте в 1994 году.

 

Границы стабильности

Фундаментальным вопросом для понимания нашей вселенной явялется вопрос о границах, в которых может существовать материя, поусть даже в течение очень короткого времени (комментарий: под "существованием материи", очевидно, имелось в виду существование конкретных форм материи, однако прикалывает то, как автор "плавает" в основных понятиях материализма). Протоны и нейтроны являются основными строительными блоками ядер. В стабильных ядрах, окружающих нас, они находятся в определенных  отношениях друг к другу. Это означает, что если, например, ядро произведено с избытком протонов, и таким образом пересечен некий предельный объем, ядро будет спонтанно распадаться путем испускания протонов. Когда в 1981 году в GSI был открыт протонный распад из основного состояния ядра лютеция-151 эта граничная линия - так называемая линия протонных капель была впервые экспериментально достигнута и пересечена.

Линия нейтронных капель для легких ядер - то есть когда слишком большой избыток нейтронов и дополнительные нейтроны не могут быть приняты ядром - дает другой наблюдаемый эффект: за пределами радиуса ядра "расплывается" своеобразное гало. Это новое явление иммет место в определеннных нейтронноизбыточных ядрах около линии нейтронных капель, таких, как литий-11 или бериллий-11. В этих ядрах очень слабо связанные нейтроны могут удаляться далеко от ядер, образуя тонкое "облако" из нейтронов вокруг ядра. Возникает вопрос, может ли этоя вление также наблюдаться и для случая протонов. Такая гипотеза была подтверждена для протонноизбыточного ядра бора-8.

Когда два атомных ядра пролетают мимо друг друга без соприкосновения, между ними действует сила отталкивания, обусловленная их положительными зарядами. Эти силы называются кулоновскими. В результате электромагнитного взаимодействия атомные ядра могут начать вращаться с высокими скоростями или колебаться. Это может привести к возбуждению ядра и даже его делению. Однако, чтобы такое кулоновское возбуждение или даже кулоновское деление имело место, ядра должны столкнуться друг с другом на очень высоких скоростях. В случае урана скорость должна быть равна как минимум одной десятой скорости света, или 30 тысяч км/секунду. При таких скоростях, достижимых с помощью ускорителя UNILAC, GSI может использовать электромагнитные поля пролетающих ядер для возбуждения ядер в ядерной спектроскопии.

Эксперименты с кулоновским возбуждением также могут принести информацию о ядерной структуре. Что касается серии экзотических ядерных форм, таких как двухосные или трехосные эллипсоидальные формы или напоминающие дыню октупольные деформации, то они также наблюдались в GSI. Другие эксперименты GSI показали первоначально, что деформации отдельных ядер динамически изменяются, когда эти ядра находятся во вращении. Во вращающихся системах, при сложении центробежной и кориолисовой сил, которые принимают участие в формировании внутренней структуры ядра, все это и происходит.

 

Гигантские резонансы и ядерная структура

С использованием тяжелого ионного циклотрона SIS, атомные ядра могут быть ускорены до чрезвычайно высоких скоростей - то есть до 80-90 процентов от скорости света. При реакциях на таких скоростях возбуждаются внутренние колебания, известные как гигантские резонансы. Такие резонансы не в новинку - в физике частиц давно известны дипольные резонансы, в которых протоны и нейтроны коллективно колеблются друг напротив друга. Однако эти осцилляции могут возникать только в виде дискретных квантов, называемых фононами (не путать с фотонами).

Несмотря на интенсивные исследования, еще несколько лет назад об этих фононах было известно очень мало. В меньшей степени это относится к фононам с низкой энергией. Однако получается, что высокоэнергичное кулоновское возбуждение высших фононов оказывает действие на частицы. Впоследствии электронагничтное возбуждение второго дипольного резонансного фонона, двойной дипольный гигантский резонанс, был подтвержден в Дармштадте различными методами.

Гигантские резонансы и их высшие фононы лежат в такой высокой области энергий возбуждения, что ядра не могут в течение долгого времени оставаться стабильными, и распадаются путем испускания нуклонов. Вот почему ы также называем этоя вление кулоновской диссоциацией ядер. В GSI эти процессы диссоциации используются для исследования внутренней структуры тех радиоактивных ядер, которые не встречаются в природе, но могут быть получены как вторичные пучки во фрагментном сепараторе.

В наиболее легко делящихся ядрах актиноидной группы, гигантские резонансы распадаются не путем эмиссии нейтронов, а путем стимулирования деления ядер. Таким образом, при помощи высокоэнергичных ионных пучков, произведенных на циклотроне, развиваются новые методы ядерного деления - одна из наиболее молодых областей в ядерной физике. Ключевой пункт заключается в том, что такие эксперименты позволяют получать радиоактивные пучки, которые раньше были недоступны. Использование этих вторичных пучков, их деоение с получением новых изотопов - предмет недавних исследований в Дармштадте.

Однако для ядерной физики представляет большой интерес не только процесс деления, но также и его продукты. Например, кулоновский распад урановых пучков в циклотроне приводит к производству чрезвычайно высокоэнергетичных ядер. С помощью этого и других методов физики недавно сумели впервые произвести дважды магический изотоп никеля-78. Это ядро играет большую роль в синтезе новых элементов в звездах.