114-й элемент: анатомия научного поиска

Среди многих научных сенсаций последних лет открытие 114-го элемента, пожалуй, единственное не сулит человечеству каких бы то ни было реальных благ, и, тем не менее, отклик на него как в научном сообществе, так и ненаучных кругах по нашим временам - небывалый. Анализ этого феномена, возможно, дело более отдаленных времен. Мы же по мере сил попытаемся воспроизвести ход событий и, прежде всего - движение научной мысли. Рассказывает научный руководитель эксперимента член-корреспондент РАН Юрий Цолакович Оганесян:

Недостижимое или несуществующее?

Эксперименты вообще, а связанные с синтезом новых элементов - в особенности, на первых порах часто заканчиваются нулевым результатом. И когда после тщательной подготовки, бессонных ночей дежурства на установке, получаешь "ноль", возникает закономерный вопрос: то ли ты в эксперименте до ожидаемого эффекта "не дотянулся", то ли его на самом деле нет в природе. Поскольку множество попыток синтеза 114-го элемента было уже предпринято учеными не только России, но и США, Франции, Германии, Японии - и всюду с нулевым результатом - постепенно стало складываться мнение, что может быть теоретически обоснованного острова стабильности сверхтяжелых ядер на самом деле и нет. Объект поисков, несмотря на всю его интригующую суть, начал переходить в разряд недосягаемых не столько даже потому, что не хватило сил до него "дотянуться", сколько потому, что пропала уверенность в его существовании.

Мы же решили для себя: "не дотянулись". А потому фактически четыре года работали на то, чтобы существенно - в 500 раз - повысить чувствительность эксперимента. И хочу заранее сказать: если б мы ничего не получили и в этот раз, то готовы были еще улучшать чувствительность эксперимента, чтобы пусть хоть через 10 лет вернуться к этому вопросу. Что придавало нам уверенности? Последний эксперимент по синтезу 114-го был сделан в Дармштадте в 1985 году, с тех пор техника продвинулась далеко вперед, изменилось и наше понимание сути эксперимента, поскольку был накоплен опыт синтеза предыдущих тяжелых элементов в других реакциях.

Мы решили: надо "дотягиваться", то есть повышать чувствительность эксперимента. Но, как говорил еще академик Арцимович: если вы хотите поднять чувствительность эксперимента в 10 раз, достаточно "вылизать" все узлы существующей установки, но если - в сотни раз, надо старую установку выбросить и сделать новую. И вот представьте, каково нам в наше время было выбросить то, что прекрасно работало: по интенсивности пучков тяжелых ионов мы имели на нашем ускорителе мировой рекорд. Это психологически тяжелое решение я взял на себя, думаю, едва ли все остальные были в душе с ним согласны - но другого выхода просто не было. Хотя результат ни я, ни кто-либо другой гарантировать при этом не могли: даже увеличив чувствительность эксперимента в сотни раз, мы все же могли не достичь желаемого результата

Статистика и семейственность

Первый опыт на пучках высокой интенсивности проводился в марте 1998 года - тогда на установке ВАСИЛИСА в секторе А. В. Еремина облучали уран кальцием-48 и в 25-дневном эксперименте наблюдали два события, которые были очень похожи на 112-й элемент. Об этом мы сообщили в научной прессе и доложили на международной конференции в США, но я не думаю, что все узнавшие о нашем результате в него поверили. Дело в том, что время жизни "нашего" изотопа 112-ого элемента было значительно дольше по сравнению с тем, который получили в Дармштадте. Такой результат - в рамках теории: полученный в Дубне изотоп был на 6 нейтронов тяжелее дармштадского, и это добавляло ему стабильности, увеличивая время жизни в несколько сотен тысяч раз. Однако принято считать, что наиболее надежный результат тот, при котором либо получено достаточно много ядер (набрана статистика) либо синтезировано не только само ядро, но и прослежена "генетическая" цепочка альфа-распадов его дочерних ядер. В нашем же эксперименте наблюдалось лишь спонтанное деление. Тем не менее, по условиям опыта мы пришли к выводу, что эти два события все же очень похожи на 112-й. И это прибавило нам силы перед началом следующего эксперимента.

На склонах "горы стабильности"

Эксперимент длился 40 дней - закончили мы его утром 31 декабря прошлого года. Синтез проводился на Газонаполненном сепараторе (ГНС) в реакции слияния кальция-48 и плутония-244 (самый тяжелый изотоп, его предоставили наши коллаборанты из Ливерморской национальной лаборатории США, а изготовил мишень наш сотрудник Г. В. Букланов). В этой реакции мы надеялись получить практически самый тяжелый из всех возможных изотоп 114-го элемента, содержащий 175 нейтронов в ядре. А максимальная стабильность предсказывается теорией для ядер со 184 нейтронами, то есть до пика стабильности мы не дотягивали 9 массовых единиц. Теоретически даже при 175 нейтронах должно произойти повышение стабильности ядра - но каково оно будет количественно, с достоверностью предсказать невозможно. В зависимости от того, насколько крутые склоны имеет эта "гора стабильности", не дойдя до максимума на 9 нейтронов, мы могли уже взобраться довольно высоко на склон, но могли оказаться и у подножия, вблизи "моря нестабильности".

И вот 25 декабря, когда у всех уже было предновогоднее настроение, мы с руководителем сектора ГНС В. К. Утенковым, просматривая и анализируя результаты, увидели то, что как будто бы искали. Вообще обработка такого гигантского массива данных, какой был получен в эксперименте, требует много времени при использовании самых мощных компьютеров, но что, собственно, мы должны были увидеть, если искомое ядро все-таки существовало? - Как оно могло "скатываться" со склона "горы стабильности"? После первого альфа-распада 114-й элемент, потеряв два нейтрона и два протона, становится 112-м (который является "дочкой" в генетической цепи), после второго альфа-распада - 110-м ("внучка"), после третьего - 108-м ("правнучка"), и так до тех пор, пока, наконец, не произойдет спонтанное деление, которое оборвет эту цепочку. Поэтому мы должны были искать среди множества сигналов те распады, которые заканчиваются спонтанным делением.

От слонов рождаются слоны

Спонтанное деление - очень удобное для поиска явление: если при альфа-распадах энерговыделение в детекторе составляет около 10 МэВ, то при спонтанном делении - на уровне 200. Следовательно, задача сводится к поиску зарегистрированных детектором больших сигналов и "раскручиванию" их предыстории. Возможности для этого есть, поскольку детектор на выходе сепаратора - позиционно-чувствительное устройство. Вообще для ядер, прошедших через сепаратор, фиксируется несколько характеристик: скорость, энергия, координаты и время внедрения в детектор. Затем в течение определенного времени отслеживается появление повторных сигналов в тех координатных точках, где был зафиксирован прилет ядра - это как раз сигналы его распадов, по которым и выстраивается "генетическая" цепочка.

К нашему счастью оказалось, что таких больших сигналов, которые характерны для спонтанного деления, зарегистрировано было всего несколько штук. В двух случаях деление произошло через тысячную долю секунды после внедрения ядер в детекторы. Это хорошо известные ядра (так называемые спонтанно делящиеся изомеры, которые были открыты в нашей лаборатории в 1962 году) - америций-244, они образуются в таком большом количестве, что сепаратору не удается на сто процентов их отсеять. Но эти ядра стали для нас хорошим признаком того, что все работает правильно.

И вот, наконец, мы увидели оба осколка спонтанного деления, а перед ним по времени - еще четыре сигнала. Сначала - ядро отдачи, через 30 секунд - первый альфа-распад, через 15 минут - второй альфа-распад, через 2 минуты - третий и, наконец, через 17 минут - сигнал спонтанного деления. То есть вся цепочка распада занимает 34 минуты - гигантское время в масштабах ядерной физики! Если посмотреть на 112-й, который живет 15 минут или 110-й, который живет 2 минуты, - можно говорить об уверенном подтверждении теоретического предсказания существования острова стабильности. И, несмотря на то, что мы находились не на пике, а на отрогах горы стабильности, ядро уже чувствует влияние этой гигантской оболочки, принимает сферическую форму, которая наиболее стабильна. В связи с этим резко повышается время его жизни - и это не исключение из правил, а правило. Вот почему надежность синтеза нового элемента подтверждает такая "генетическая" цепочка: 114-й живет полминуты, его "дочка" - 15 минут, "внучка" - 2 минуты, "правнучка" - 17 минут, то есть от долгожителей рождаются долгожители, как от слонов - слоны.

Пусть повторят

Мы не можем не радоваться, что открытие 114-го произошло в Дубне, хотя объективно оно могло произойти и в Дармштадте, и в Беркли - мы шли к этому результату вместе, делясь опытом, информацией, учитывая ошибки и наработки друг друга. Я считаю - и на заседании Ученого совета в январе сказал об этом с трибуны - это наш общий результат. Видимо, похожие чувства испытывают и коллеги за рубежом: я ожидал критики, но в пришедших на наш адрес откликах – пока восторги. Это - эмоции людей, которые многие годы работали над решением общей научной проблемы, для них в большей степени важен сам факт ее решения, а уже потом престиж. Очень характерно в этом смысле высказывание профессора Гиорсо из Беркли: "Российско-американская группа создала ультратяжелый элемент. Я не могу выразить, насколько мы желали получить 114-й элемент в своей лаборатории - это одно из величайших достижений физики. Но я рад, что кто-то сделал это - 114-й элемент имеет громадную важность для исследования физики сверхтяжелых элементов". Действительно, результат очень важен, и поэтому достоверность его должна быть очень высокой.

В Беркли сейчас готовятся повторить эксперимент по синтезу 114-го: говорят, они получили дополнительное финансирование и дополнительные места в штате, создали принципиально такой же газонаполненный сепаратор, новый ионный источник. Эксперимент запланирован на осень этого года, и я буду искренне рад, если он увенчается успехом. Мы, со своей стороны, также попытаемся получить второе событие. Подобный эксперимент запланирован нами на лето этого года. Для меня же в нашем открытии важен не столько сам 114-й элемент, сколько все стабильное семейство.

Полезно изучать ландшафт

Несмотря на убедительный результат, одно событие - это все-таки одно событие, скорее хороший кандидат на открытие, чем открытие. Мы посчитали, что необходимо повторить эксперимент. Но при этом рискнули поменять его условия: вместо плутония-244 использовался плутоний-242 российского производства, опыт проводился на сепараторе ВАСИЛИСА другой командой и в другой коллаборации (с GSI из Германии и РИКЕН из Японии) - лишь высокоинтенсивные пучки кальция-48 остались неизменными. Зная характеристики только что полученного семейства сверхтяжелых ядер, мы могли заранее предсказать ожидаемые свойства нового более легкого (на 2 массовые единицы) изотопа: это должна быть короткая цепочка из 114-го (живущего несколько секунд) и дочернего, более стабильного 112-го элемента (живущего несколькоминут).

Эксперимент на ВАСИЛИСЕ начался 2 марта и завершился 4 апреля - за эти 32 дня мы наблюдали два события образования и распада 114-го элемента. Действительно, это были в обоих случаях короткие цепочки: новый изотоп 114-го жил несколько секунд, затем следовал альфа-распад, образовавшийся 112-й элемент жил 3 минуты, затем происходило его спонтанное деление.

Таким образом, в результате двух разных экспериментов мы наблюдали 6 ядер-долгожителей: в первом - 114, 112, 110, 108-й элементы; во втором - 114-й и 112-й. Мне представляется более ценной именно такая проверка, потому что если мы действительно попали на остров стабильности, то для подтверждения его существования надо не только “прыгать” на одном месте, а “ходить” по нему, убеждаясь, что находишься на правильном ландшафте.

Где-то могут быть стомиллионлетние ядра

А дальше пути раздваиваются, и каждый по-своему заманчив. Если время жизни новых элементов измеряется минутами, то можно изучать их химические свойства. С первых чисел апреля мы начали обсуждать постановку химического опыта по изучению свойств 112-го в надежде показать, что согласно периодическому закону Д. И. Менделеева, этот элемент аналогичен ртути. После этого можно изучать химию 114-го элемента (аналога свинца), 110-го (аналога платины), 108-го (аналога осмия). То есть планируемый нашими химиками на этот год эксперимент со 112-м - это начало большой программы по химии сверхтяжелых элементов, в которую, думаю, включатся ученые из многих лабораторий Германии, Франции, Швейцарии, США, Японии.

А второй путь - облучать пучками кальция-48 уже не плутоний, а, например, америций, получая цепочку 115, 113, 111-го элементов или кюрий, ожидая ядра 116, 114, 112-го... Одним словом, двигаться по острову стабильности, синтезируя новые элементы, определяя их радиоактивные и химические свойства. Для чего? - Не будем забывать, что пик стабильности находится очень высоко, и природа, сотворяя элементы (в том числе и сверхтяжелые), делала это совсем не так, как пытаемся это сделать мы. Нуклеосинез (как это предполагается для момента рождения Вселенной) шел в громадных потоках нейтронов в сверхмощных ядерных реакциях - подобных условий не удалось создать даже в подземных ядерных взрывах, которые в свое время провели американцы в Неваде и где не удалось продвинуться дальше 100-го элемента.

Но если при нуклеосинтезе образовались ядра с числом нейтронов 184 (в пике стабильности) и имели время жизни более 100 млн. лет, то они могли сохраниться в природе до наших дней - наверное, было бы не бессмысленно вернуться к экспериментам по поиску сверхтяжелых в природе. Таким экспериментам Г. Н. Флеров посвятил 10 лет своей активной жизни, но тогда считалось, что самый долгоживущий - 114-й элемент, аналог свинца, поэтому в основном исследовались свинцовые минералы. В этих опытах была достигнута очень большая чувствительность, но ничего не наблюдалось. Из наших же экспериментов следует (и теория предсказывает), что наиболее стабильным должен быть, видимо, 108-й элемент, аналог осмия - точнее, изотоп 108-го, имеющий около 180 нейтронов. А в осмиевых минералах сверхтяжелые элементы пока еще не искали.

Поэтому нам так важно знать химические свойства сверхтяжелых элементов - экаосмия, экаплатины, экартути - ведь поиск любого редкого элемента в природе основывается на обогащении, аналогично тому, как мы добываем золото, платину, уран, основываясь на знании их химических свойств. Иными словами, успех в исследовании химических свойств сверхтяжелых элементов может стать основой экспериментов по поиску этих элементов в природе, в подземных условиях, вдали от космических лучей, где можно наблюдать естественный распад сверхтяжелых ядер...

Ну, а пока надо думать, где брать силы и средства, чтобы двигаться дальше.

Подготовила Анна Алтынова