Горизонты научного поиска

В настоящее время для большинства лабораторий мира, ориентированных на исследования по ядерной физике низких энергий, основной задачей является получение и изучение свойств экзотических атомных ядер, то есть ядер, находящихся вблизи границы стабильности. Ярчайший пример таких исследований - синтез сверхтяжелых элементов вплоть до Z=118 в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова в Дубне. Проведение таких исследований требует как повышения интенсивности пучков и расширения набора ускоряемых ядер, так и увеличения чувствительности регистрирующей аппаратуры.

Прогресс, достигнутый в этих направлениях, позволил получать экзотические ядра в количествах, достаточных не только для их идентификации, но и для исследования их структуры. Это относится как к экзотическим изотопам хорошо известных элементов, так и к тяжелым ядрам с Z=100-104, выход которых в реакциях с тяжелыми ионами уже достаточен для проведения спектроскопических исследований.

В связи с этим возникает вопрос: какие задачи представляются наиболее важными и интересными для экспериментальных исследований структуры экзотических ядер, включая и ядра с Z>100? Хорошие возможности в этом плане связаны с исследованием проявлений псевдоспиновой симметрии среднего поля ядра в структуре ядер с Z>100.

Псевдоспиновая симметрия - это необычная симметрия. Она также не является точной симметрией - соответствующие мультиплеты, которые должны были бы быть вырожденными по энергии в случае точной симметрии, в действительности расщеплены, хотя расщепление и является относительно малым. Эта симметрия была обнаружена при исследовании структуры стабильных ядер в спектрах как одночастичных состояний, так и некоторых ротационных полос. В чем же состоит псевдоспиновая симметрия и в чем причина появления добавки "псевдо" к хорошо известному слову "спин"?

Уже со времени открытия оболочечной модели ядра известно, что среднее поле ядра, в котором двигаются нуклоны, характеризуется очень сильным спин-орбитальным взаимодействием. Настолько сильным, что одночастичные состояния с одним и тем же орбитальным моментом, но с разной ориентацией спина относительно орбитального момента имеют существенно разные энергии. Разница составляет несколько МэВ. В то же время, благодаря сильному спин-орбитальному расщеплению, близкими по энергии оказываются одночастичные состояния, чьи орбитальные моменты различаются на 2h, а полные угловые моменты - на h. С точки зрения теории групп оказалось удобным ввести в рассмотрение понятие о псевдоорбитальном моменте, равном арифметическому среднему орбитальных моментов близких по энергии одночастичных состояний, образующих пару, и псевдоспин, равный 1/2.

Долгое время причина возникновения псевдоспиновой симметрии оставалась неясной. Прогресс был достигнут лишь совсем недавно, в основном благодаря работам Дж. Гинокхио (Лос Аламос, США). Стало понятно, что причиной возникновения псевдоспиновой симметрии в спектрах одночастичных состояний ядер является приближенное равенство по абсолютной величине скалярного и векторного средних ядерных потенциалов. Первый из них обеспечивает притяжение, то есть связывает нуклоны в ядре, а второй является отталкивающим. Источник же этого равенства - нарушение киральной симметрии. Именно отличное от нуля значение сигма-члена, который можно извлечь из экспериментальных данных по пион-нуклонному рассеянию, обеспечивает приближенное равенство абсолютных величин скалярного и векторного средних ядерных потенциалов. Что касается проявления псевдоспиновой симметрии в спектрах ряда ротационных полос, то объяснение должно быть связано с характером остаточных сил, действующих между нуклонами в ядрах. Однако этот вопрос требует дальнейших теоретических исследований.

Почему же именно экзотические ядра столь привлекательны для исследования проявлений псевдоспиновой симметрии? Расчеты показывают, что точность, с которой выполняется псевдоспиновая симметрия, возрастает с уменьшением энергии связи нуклонов в ядре. Это означает, что для экзотических ядер, находящихся вблизи границы стабильности, можно ожидать более высокую точность реализации псевдоспиновой симметрии, чем в стабильных ядрах. Кроме того, экспериментальные данные, относящиеся к стабильным ядрам, показывают, что степень нарушения псевдоспиновой симметрии зависит от изоспина ядра. Поэтому, исследуя структуру различных изотопов одного и того же элемента, можно найти ядра, в которых для ряда мультиплетов псевдоспиновая симметрия выполняется с очень хорошей точностью.

Если псевдоспиновая симметрия действительно имеет место и особенно ярко выражена в экзотических ядрах, то наибольший интерес для исследований представляют ротационные полосы, основанные на одночастичных состояниях, являющихся псевдоспиновыми синглетами или членами псевдоспиновых дублетов с небольшими значениями псевдоорбитального момента или его проекции на ось аксиальной симметрии ядра. В этих случаях должна наблюдаться характерная дублетная структура вплоть до достаточно больших значений углового момента. Теоретический анализ показывает, что вблизи основного состояния такие полосы могут появиться в ядрах с Z=101, 103 и с Z=111.

Исследования проявлений псевдоспиновой симметрии представляют большой интерес, потому что псевдоспиновая симметрия - это симметрия среднего поля ядра. А свойства среднего поля определяют многие особенности структуры ядер, а также характер эффективного взаимодействия нуклонов в ядерном веществе. В то же время результаты теоретических расчетов одночастичных спектров сверхтяжелых ядер весьма разноречивы. Одни из них указывают на приближенное выполнение псевдоспиновой симметрии. В других же расчетах расщепление псевдоспиновых дублетов оказывается значительным. Вопрос может быть прояснен только в результате экспериментальных исследований.

Таким образом, подводя итоги, можно отметить следующее. Присутствие приближенной псевдоспиновой симметрии в стабильных ядрах подтверждено экспериментально. Псевдоспиновая симметрия обоснована теоретически. Исследуя ее проявления, мы тем самым выходим на исследование фундаментальных аспектов нуклон-нуклонного взаимодействия. Имеются аргументы в пользу того, что псевдоспиновая симметрия должна проявляться ярче в слабосвязанных ядрах по сравнению со стабильными ядрами.

Все эти факты делают исследования проявлений псевдоспиновой симметрии в слабосвязанных ядрах особенно интересными.

В. ВОРОНОВ, Р. ДЖОЛОС