О защитах - на финише года

Четыре года назад после успеха "трижды уникального" эксперимента на установке АКУЛИНА - облучения жидкой тритиевой мишени пучком тритонов - его руководитель профессор Г.М.Тер-Акопян сказал: "Мы надеемся, что сравнение полученных данных с имеющимися теоретическими расчетами значительно обогатит наши представления о свойствах ядер, находящихся за границей нейтронной стабильности". В октябре в Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова состоялась защита сразу двух первых кандидатских диссертаций по результатам, полученным на сепараторе АКУЛИНА. В их основу легли эксперименты, проходившие в разные годы. А поскольку оба соискателя стояли у истоков создания установки, их работы, по существу, охватывают всю историю АКУЛИНЫ. Сегодня кандидаты физико-математических наук Сергей Сидорчук и Александр Родин рассказывают о том, насколько оправдались надежды физиков.

На юго-западе карты изотопов (С. Сидорчук)

На карте нуклидов распределение известных изотопов по числу протонов и нейтронов вытянуто с юго-запада на северо-восток, если воспользоваться аналогией с географической картой. Большинство ваших читателей, конечно, об этом знает. Исследования, проводимые в ЛЯР, традиционно сосредоточены либо на крайнем северо-востоке карты - это область сверхтяжелых элементов, либо в области легчайших ядер, на юго-западе.

Научные интересы нашей группы связаны как раз с крайним юго-западом. Рельеф карты можно представить как долину, по дну которой проходит дорожка стабильности. Она занята ядрами, распады которых не наблюдались и которые по этой причине считаются стабильными. На склонах долины лежат радиоактивные изотопы. В результате бета-распада они превращаются в стабильные ядра, "скатываясь" по склону вниз. Слабое взаимодействие, ответственное за эти превращения, позволяет радиоактивным ядрам удерживаться в такой неудобной позиции достаточно долгое время. По мере удаления от дорожки стабильности в ядре возрастает избыток протонов или нейтронов, и, в конце концов, можно придти к ядрам настолько экзотическим, что они не успевают дожить до своего естественного бета-распада и распадаются, испуская нуклоны. В итоге такие системы также возвращаются на дно, но уже по частям.

Эти ядерные системы определяют границу нуклонной стабильности. За границей для ядер начинается качественно иная жизнь. Она существенно короче, и мы можем наблюдать только то, что от нее осталось, то есть продукты распада. Вместе с тем можно ожидать, что вблизи и за границей нуклонной стабильности доминируют такие свойства ядерных систем, которые в обычных условиях, вероятно, являются эффектами второго порядка и потому не наблюдаются. Отчасти эти ожидания уже оправдались. Известно, что у некоторых легких ядер, лежащих вблизи границы стабильности, были обнаружены ядерное гало и целый ряд связанных с ним явлений, которые сегодня являются предметом интенсивных исследований.

Здесь необходимо сказать, что экспериментальные исследования экзотических ядерных систем - дело, мягко говоря, непростое. Чтобы получить на выходе экзотическое ядро, на входе лучше иметь ядра тоже необычные, иначе процесс будет связан со сложной перестройкой исходной системы и, как следствие, - маловероятен. Развитие экспериментальной техники, в частности техники пучков радиоактивных ядер, постепенно открывает для нас новые возможности, и мы стараемся их использовать.

Физическая мысль плюс инженерное решение (А. Родин)

Название установки АКУЛИНА происходит от английского "accurate line" - аккуратная (прецизионная) линия. Изначально она создавалась как компактная установка для получения качественных пучков.

Все началось в 1992 году, с проекта ускорительно-накопительного комплекса К4-К10. Была проделана большая работа, но наступили экономически трудные времена, и этой идее не суждено было воплотиться в ЛЯР. Тогда было решено создать сепаратор для получения пучков вторичных частиц по подобию уже существовавших в крупных зарубежных ядерных центрах: GANIL (Франция), RIKEN (Япония), MSU (США). Условия были трудные - при минимальных финансовых затратах как можно эффективнее использовать имеющиеся разработки и технические решения. Сами по себе узлы установки не являются уникальными. Конкурентоспособность - а на наши эксперименты сейчас приезжают физики из крупнейших ускорительных центров мира - была достигнута, прежде всего, в сочетании инженерной и физической мысли.

Например, производящая бериллиевая мишень - оригинальное решение наших конструкторов. Сочетание вращения и водяного охлаждения позволяет работать в условиях, когда в мишени выделяется мощность, превышающая 0,5 кВт. Чтобы увеличить светосилу прибора, была использована оригинальная конструкция самих вакуумных камер внутри квадрупольных линз - не обычная, а крестообразная труба, что позволило увеличить интенсивность вторичного пучка в полтора раза. Криогенная мишень - уникальная разработка специалистов из города Сарова создана с применением конверсионных технологий. Например, уровень стабилизации температуры мишени составляет 0.1 кельвин. Я не знаю других мишеней, которые работали бы с такими температурными параметрами вблизи точки сжижения водорода или гелия. Криогенная мишень, кольцевые кремниевые детекторы, пропорциональные камеры, времяпролетная система на основе пластиковых сцинтилляторов - благодаря этим разработкам с параметрами на уровне лучших мировых аналогов и был достигнут конечный результат.

Первые эксперименты и результаты (А.Родин)

В 1996 году был получен первый пучок на АКУЛИНЕ, в этом же году проведен и первый эксперимент. На этой установке были получены уникальные пучки гелия, лития. Здесь же проведены первые эксперименты по изучению структуры ядер 6Не. Эти работы сначала опирались на исследования физиков Курчатовского института. Именно они тогда были лидерами этого направления, ими была обнаружена кластерная структура ядер 6Li, 7Li, теоретически показано, что это возможно и в ядре 6Не.

В первом опыте изучалась реакция передачи двух нейтронов с 6Не на 4Не. Хорошо известно, что если к самому связанному ядру гелия (оно состоит, как известно, из двух нейтронов и двух протонов, система очень стабильная), добавить один нейтрон, то получается 5Не, нестабильное ядро. А вот 6Не живет уже целую секунду. 7Не - тоже нестабильная ядерная система, а 8Не - еще более связанное ядро, чем 6Не. Такие особенности, характерные для изотопов гелия, - следствие наличия парного взаимодействия слабосвязанных нейтронов в этих ядрах.

Оболочечная модель ядра предсказывала равновероятное существование таких кластерных структур в ядре 6He как 4Не+2n и t+t (тритон плюс тритон), получаемых в результате исследуемой реакции. В экспериментах на АКУЛИНЕ как раз и было показано, что t+t - не основная структура. Значительную часть времени два нейтрона в 6Не, так называемые валентные нейтроны, находятся обычно так близко друг от друга, что среднее расстояние от них до ядра превышает среднее расстояние между этой нейтронной парой. Таким образом, можно говорить о "ди-нейтронной" структуре ядра 6He. А если это так, то эта пара нейтронов может передаваться в одном акте взаимодействия. Например, два нейтрона от 6He переходят на другое ядро 4He, и получается новый изотоп 6He. Это и было показано в эксперименте - большую часть времени 6Не существует как альфа-частица и два связанных нейтрона. Следовательно, оболочечная модель недостаточно хорошо описывает структуру слабосвязанных ядер.

Во втором эксперименте изучалась реакция передачи нейтронной пары от 6Не на протон с образованием 4Не и t. Данные, полученные в этом эксперименте, подтвердили наличие "ди-нейтронной" структуры в ядре 6He.

Новая методология - новая физика (С. Сидорчук)

Саша сказал о знаменитой гелиевой аномалии, которая состоит в том, что добавление двух нейтронов к 5Не или 6Не приводит к увеличению энергии связи ядра. Можно предположить, что пары изотопов гелия и водорода (4Н-5Не, 5Н-6Не, 6Н-7Не и 7Н-8Не) должны иметь схожую структуру. Другими словами, есть основания предполагать, что основное состояние водорода "заготовлено" в соответствующем изотопе гелия и может быть образовано, например, если из гелия аккуратно удалить один протон. Тогда и нейтроны на внешней оболочке водорода должны играть такую же роль, какую они играют в т.н. р-оболочке гелия. Из предположения, что гелиевая аномалия одновременно является и водородной, могут следовать весьма необычные выводы. Прямая экстраполяция приводит нас к сверхтяжелому водороду 7Н, стабильному относительно нуклонного распада.

В новогоднюю ночь после такой экстраполяции на юго-западе можно увидеть второй остров стабильности. К сожалению, Новый год бывает нечасто, а в будни мы имеем дело, в основном, с проблемами. Дело в том, что до появления достаточно интенсивных пучков 8Не реакции, в которых с приемлемой вероятностью получался бы 7Н, были недоступны. Теоретическая модель 7Н на сегодняшний день также отсутствует.

В последние годы к этой части карты нуклидов проявляют активный интерес ведущие центры многих мировых держав, но освоение новой территории, естественно, никогда не проходит без противоречий. В наших экспериментах мы изучали реакции передачи одного нейтрона с дейтрона на тритон, получая 4Н, и передачу двух нейтронов с тритона на тритон, получая 5Н. Например, в GSI (Германия) одновременно с нами был поставлен эксперимент, в котором наблюдался резонанс 5Н с параметрами, принципиально отличными от наших данных. Количественно это расхождение не выглядит впечатляющим, однако данные GSI исключали влияние взаимодействия пары валентных нейтронов на поведение энергии распада при переходе от 4Н к 5Н. Отсюда, в частности, следовало, что на дальнейшее движение к 7Н вряд ли стоит тратить время. Впечатление усугублялось тем, что спектр 5Н, полученный в GSI, хорошо описывался кластерной моделью. Была очень оживленная дискуссия. В ЛЯР провели еще один эксперимент, геометрия которого оказалась более удачной, и поэтому в нем наблюдались очень выразительные угловые и энергетические корреляции продуктов распада 5Н. Анализ новых данных привел к однозначному заключению, что энергия распада основного состояния 5Н все-таки приблизительно на 1 МэВ ниже энергии распада основного состояния 4Н. Правда, в результате несколько пострадала теория, трактующая 5Н в рамках кластерной модели, но это обстоятельство следует рассматривать как стимул для ее дальнейшего развития. А эксперименты по изучению 7Н стали практически неизбежными, и подготовка к ним уже идет во многих центрах мира.

Интерес к 7Н обусловлен, конечно, не только его предполагаемой стабильностью. Даже от нестабильного 7Н можно ожидать нестабильности совершенно особого рода. Данные, полученные для 5Н, дают основания предполагать, что 7Н распадается не через промежуточные резонансы, а так называемым "демократическим образом": сразу на пять частиц. А это приводит к появлению эффективного т.н. многочастичного барьера, задерживающего распад. Задержка при определенных условиях может быть настолько велика, что даже можно надеяться зарегистрировать 7Н как обычную стабильную частицу. Я уже говорил, что в контексте исследований 7Н наиболее обещающими являются реакции на радиоактивном пучке ядер 8Не, из которых выбиваются протоны. Мы уже сделали первый значительный шаг в этом направлении, который завершился публикацией, но все интересное еще впереди.

Я должен еще раз сказать, что это была большая работа, она делалась, и будет продолжаться в тесном сотрудничестве со многими организациями, в том числе с нашими конкурентами: GANIL (Франция), RIKEN (Япония), GSI (Германия). Особенно хотелось бы подчеркнуть вклад европейской коллаборации DEMON, участие которой позволило нам включить в наши измерения регистрацию нейтронов, а также сотрудников Федерального ядерного центра в Сарове, которыми была создана криогенная тритиевая мишень. Мы обязаны упомянуть наших коллег, сотрудников ЛЯР, без участия которых ни о каких диссертациях, конечно, не могло идти и речи: Ю.Ц.Оганесяна, Г.М.Тер-Акопьяна, М.С.Головкова, Р.Вольского, А.С.Фомичева, С.В.Степанцова, В.А.Горшкова, М.Л.Челнокова и Р.С.Слепнева. Большой вклад в наше дело внесли также коллеги из Японии - А.А.Коршенинников и Е.Ю.Никольский, из Германии - Л.В.Григоренко и Л.В.Чулков, из Швеции - В.В.Авдейчиков. Многие из них в результате этой работы оказались сотрудниками ЛЯР. Поздравляем с Новым годом вашу газету и ее читателей!

В свою очередь мы поздравляем "новоиспеченных" кандидатов наук. Выражаем надежду, что встретимся с ними на страницах газеты по поводу присвоения очередной ученой степени, и не только.

Материал подготовила Галина Мялковская

"...Мы выбрали, пожалуй, самый трудный путь"

Председательствуя на Совете, где защищали свои кандидатские диссертации С.Сидорчук и А.Родин, я, как и мои коллеги, получил большое удовольствие, хотя и знал эти работы в деталях.

Многим известно, что в ЛЯР занимаются синтезом новых элементов и даже доказали существование так называемого "острова стабильности" сверхтяжелых ядер. Но глубинные свойства ядерного вещества, приводящие к возникновению упомянутых "островов" в области предельно тяжелых элементов, должны проявляться и в легких, быть может, самых легких - в изотопах водорода. Но не в обычных изотопах, а тоже в "сверхтяжелых", сильно обогащенных нейтронами. В ядерной физике эта область не менее интересна, чем сверхтяжелые элементы. Она связана с фундаментальной проблемой ядерных сил, действующих между протонами и нейтронами, особенно между нейтронами (см. нейтронная материя, нейтронные звезды). Изучением лишь одного изотопа, 4Н, физики занимаются более 30 лет. Сегодня мы исследуем детальные свойства 5Н и планируем в следующем году исследовать "сверхтяжелый" 7Н.

Когда пять лет тому назад я предложил Г.М.Тер-Акопьяну и его сотрудникам заняться этой проблемой, у нас почти ничего не было. Да и область исследований была совершенно новой. Но для того чтобы пойти дальше и изучить предмет глубже, чем наши предшественники и сегодняшние конкуренты, мы выбрали, пожалуй, самый трудный путь - никуда не ехать, а получить в Дубне, на нашем ускорителе, рекордные пучки экзотических ионов, создать свои сверхчувствительные детекторы, оригинальную конструкцию сепаратора и пр. И, самое главное, найти свой, еще неизведанный подход к решению этой задачи.

А дальше... дальше все делают люди, с их способностями, смелостью, упорством, безудержным стремлением к намеченной цели. И здесь они совсем разные. Одни кладут свои лучшие годы, жертвуя многими благами жизни. Они подчас незаметны и их мало. Другие, наоборот, предпочитают осмотреться, подождать, когда кто-то попробует, берегут себя, но иногда, по терминологии И.В.Курчатова, "симулируют бурную деятельность".

А Саша Родин на своих "Жигулях" по многу раз мотался из Дубны в Саров (не близкий путь - 600 км), чтобы срочно привезти или отвезти детали для криогенной мишени из трития, сидел безвылазно на пучке, пока не получил рекордных параметров установки. Возвращаясь поздно домой из лаборатории, я часто встречал Сергея Сидорчука, который с пакетиком еды шел на ночной эксперимент... и так дни, недели, месяцы. Обсуждая много раз детали эксперимента и просто жизненную ситуацию, я ни разу не услышал от них о зарплате, как у всех настоящих ученых, более чем скромной, но видел, как они были удручены отсутствием средств на приобретение детекторов, электроники и прочих неодушевленных предметов.

Отдельно я хотел бы отметить роль их руководителя - профессора Гургена Тер-Акопьяна. Он не только прекрасный физик-экспериментатор, но и замечательный учитель. Подобно древним мастерам он передает свои знания и искусство физического эксперимента своим молодым коллегам, разделяя с ними все трудности и неудачи, сопутствующие любому научному поиску. Поэтому успех диссертантов - это успех всей дружной, относительно молодой группы и, конечно, ее руководителя.

Ценность ЛЯР (как и любого научного подразделения) определяется, в первую очередь такими людьми. Они в своем меньшинстве определяют лицо всего научного коллектива лаборатории и они, как правило, вносят основной вклад в науку. Работа С.Сидорчука, А.Родина и их коллег является таким вкладом, так как существенно расширяет наши представления о свойствах легчайших ядер.

Закрывая заседание совета, я назвал работы С.Сидорчука и А.Родина одними из лучших работ в истории лаборатории. Не переоцениваю - действительно так думаю.

Академик Ю.Ц.Оганесян, научный руководитель ЛЯР