Горизонты научного поиска

Проникнуть в новые области ядерной карты
- такую задачу ставят перед собой авторы нового проекта ЛЯР

Лаборатория ядерных реакций имени Г.Н.Флерова, широко известная во всем мире своими открытиями сверхтяжелых элементов, приступила к созданию новой установки, нацеленной на получение и изучение свойств тяжелых нейтронно-обогащенных ядер, расположенных в не исследованной до сих пор "северо-восточной" области ядерной карты. Эта область ядер является ключевой для изучения астрофизического нуклеосинтеза, поскольку именно здесь протекает r-процесс образования тяжелых элементов (то есть быстрый процесс захвата нейтронов). Именно здесь расположена последняя "точка ожидания" - замкнутая нейтронная оболочка N=126 и Z~70-80, ответственная за широкий пик в области A~195 в кривой распространенности элементов в природе. Времена жизни и другие характеристики этих ядер чрезвычайно важны для понимания механизма r-процесса при взрыве сверхновых или слиянии нейтронных звезд. Изучение структурных свойств ядер, расположенных вдоль нейтронной оболочки N=126, должно также прояснить важную для ядерной физики проблему подавления оболочечных эффектов (из-за уменьшения спин-орбитального взаимодействия) с увеличением нейтронного избытка.

Получение и изучение свойств тяжелых нейтронно-обогащенных ядер сопряжено с определенными трудностями физического и технического рода. В реакциях слияния (используемых в том числе и для синтеза сверхтяжелых элементов) удается получать лишь нейтронно-дефицитные ядра. Это объясняется тем, что с увеличением заряда ядру требуется все больше нейтронов для его стабильности. В результате на карте ядер можно найти, например, 18 нейтронно-избыточных изотопов цезия (Z=55, продукты деления актинидных ядер) и только 4 для платины (Z=78). Для элементов же тяжелее фермия (Z=100) до сих пор были получены лишь протонно-избыточные изотопы, лежащие слева от линии бета-стабильности. По этой же причине в реакциях слияния не удается синтезировать сверхтяжелые ядра, находящиеся на острове стабильности (в сливающихся ядрах просто не хватает для этого нейтронов). Взглянем на карту нуклидов - обычную настенную или интерактивную, например на интернет-страничке теоретической группы ЛЯР nrv.jinr.ru/nrv. Физики обычно используют разные цвета для обозначения различных видов распада ядер. Стабильные изотопы (которых очень немного) обозначают черным цветом, нейтронно-избыточные ядра, лежащие справа от стабильных изотопов и испытывающие бета-минус-распад, - синим, а протонно-избыточные ядра, лежащие слева от линии стабильности и испытывающие бета-плюс-распад, - красным цветом. Так вот, по мере продвижения вверх, к "северу", по ядерной карте синий цвет постепенно исчезает, а выше фермия его вообще нет, как, впрочем, и черного. Так что мы фактически не знаем, где в этой области находится линия бета-стабильности и где, в частности, располагается остров стабильности.

Некоторое время назад В.Загребаев (ЛЯР) и В.Грайнер (ФИАС, Междисциплинарный научно-исследовательский центр, Франкфурт) предложили использовать реакции многонуклонных передач при низкоэнергетических столкновениях тяжелых ионов для получения тяжелых (в том числе сверхтяжелых) нейтронно-обогащенных ядер. Сделанные ими оценки показывали, что эксперименты такого рода могли бы проводиться уже сегодня. Основное препятствие в проведении таких экспериментов связано с проблемой выделения изучаемого ядра из многочисленных продуктов ядерной реакции, возникающих при столкновении двух тяжелых ионов. Оказалось, что существующие сепараторы (такие как PRISMA в Италии или VAMOS во Франции, специально спроектированные для изучения реакций передач) неспособны разделять ядра с зарядом больше 60 (а именно они и представляют наибольший интерес).

В последние годы, однако, был предложен и начал интенсивно изучаться и развиваться комбинированный метод сепарации ядер, основанный на их остановке в газе и последующей резонансной (селективной) лазерной ионизации. Основоположник этого метода ионизации - профессор В.Летохов из Троицка. Этот метод уже нашел практическое применение в ЦЕРН (Швейцария) для разделения осколков деления и в Лювене (Бельгия) для сепарации легких экзотических ядер. Основную роль в этих проектах, кстати, играют ученики В.Летохова - Ю.Кудрявцев и В.Федосеев. В.Загребаев предложил использовать этот же метод для выделения тяжелых нейтронно-избыточных ядер, образующихся в реакциях передач, и построить в ЛЯР ОИЯИ новую физическую установку. В конце прошлого года проект такой установки прошел международную экспертизу, а январский Программно-консультативный комитет ОИЯИ по ядерной физике рекомендовал приступить к ее созданию уже в 2012 году.

Основой (и наиболее дорогостоящей частью) новой установки являются пять мощных лазеров: два лазера накачки и три лазера на красителях с перестраиваемой частотой излучения. С помощью этих лазеров можно будет селективным образом ионизовать не только атом любого элемента, но и конкретный его изотоп. Любому физику понятно, что дальнейшая транспортировка к детектору образованных таким образом ионов уже не представляет большой проблемы. Для достижения высокой эффективности транспортировки наши коллеги из ведущих западных лабораторий любезно предложили воспользоваться их опытом. Однако нужные лазеры не производятся серийно, поэтому решено было начать реализацию проекта с создания в ЛЯР требуемой лазерной системы. Эту работу возглавил С.Земляной, руководитель лазерной группы ЛЯР ОИЯИ.

Учитывая динамичный опыт ЛЯР в развитии ускорительного и масс-сепараторного оборудования, запустить в эксплуатацию новую установку планируется в сжатые сроки - уже в 2014 году. С ее запуском будут открыты новая область исследований в низкоэнергетической физике тяжелых ионов и новые горизонты в изучении свойств нейтронно-обогащенных ядер, расположенных в не изученной до сих пор "северо-восточной" области ядерной карты. Большой интерес научной общественности, проявленный к этим исследованиям, уже привел к появлению обширной международной коллаборации по созданию и эксплуатации новой установки. Нет сомнений, что на ее базе скоро появятся и интересные учебные проекты для международных практик молодых ученых, проводимых в ОИЯИ для наших стран-участниц.

Дмитрий КАМАНИН