Премии ОИЯИ

Вторую премию на конкурсе в области экспериментальной физики получил цикл работ: "Исследование мю-атомных и мю-молекулярных процессов на мезонных фабриках TRIUMF (Канада) и PSI (Швейцария)", состоящий из 15 публикаций. Полное число публикаций, посвященных данной тематике, - 27. Премии удостоены десять ученых: В.М.Быстрицкий, В.Ф.Борейко, В.П.Вольных, В.В.Герасимов, В.Н.Павлов, В.Г.Сандуковский, В.А.Столупин - ОИЯИ, Я.Возняк, М.Филиппович - Университет науки и технологии ГМА - Краков, Польша, Ф.Мулхаузер - Фрибургский университет, Швейцария. Наш корреспондент Надежда Кавалерова попросила рассказать об этих работах профессора В.М.БЫСТРИЦКОГО, соруководителя коллабораций в TRIUMF и PSI.

Представленный цикл исследований посвящен экспериментальному изучению экзотических связанных систем, одним из элементов которых является мюон. Физика таких систем представляет собой симбиоз атомной, молекулярной, ядерной физики, физики твердого тела и элементарных частиц.

Интерес к изучению мю-атомных (МА) и мю-молекулярных (ММ) процессов, протекающих после остановки отрицательных мюонов в веществе, обусловлен возможностью получения информации: о характеристиках ядерных реакций, протекающих в мюонных молекулах; о структуре ядер; об эффективности реакций ядерного синтеза в мюонных молекулах; об уровнях энергии мю-молекул. Кроме этого, интерес к изучению МА и ММ-процессов обусловлен и тем обстоятельством, что в столкновениях мю-атомов изотопов водорода с атомами и молекулами окружающего вещества в чистом виде реализуется квантово-механическая задача трех тел, взаимодействующих по закону Кулона.

И хотя к началу выполнения представленного цикла исследований в литературе существовало большое количество экспериментальных и теоретических работ, тем не менее, оставалось еще достаточно много открытых вопросов, требующих прояснения. В связи с этим нами были выделены те "белые пятна", которые требовали дальнейшего их изучения, либо более глубокого анализа.

В частности, до последнего времени в литературе отсутствовала экспериментальная информация об энергетических зависимостях сечений рассеяния мюонных атомов изотопов водорода на молекулах водорода. Были известны только лишь оценки сечений указанных процессов, усредненные по интервалу энергий столкновения частиц во входных каналах данных реакций.

В связи с этим в 1995 году на рассмотрение программного комитета мезонной фабрики TRIUMF нами был представлен проект "Рассеяние мюонных атомов изотопов водорода", нацеленный на исследование энергетических зависимостей сечений рассеяния мюонных атомов изотопов водорода на молекулах Н2. Проект был одобрен программным комитетом, и, начиная с 1996 года, мы приступили к его реализации на мезонной фабрике TRIUMF в большой коллаборации, куда вошли ученые из ОИЯИ, Швейцарии, Канады, Польши, США.

Важно отметить, что выполнение представленного проекта в то время было весьма актуальным, так как появилось достаточно большое количество теоретических работ, посвященных исследованию процесса рассеяния мюонных атомов на изотопах водорода, и, естественно, требовалась детальная экспериментальная информация для корректной проверки алгоритмов расчетов характеристик данных процессов. Кроме этого, проект включал в себя возможность прямого экспериментального обнаружения эффекта Рамзауера - Таунсенда и измерение параметров, характеризирующих его проявлениие в интервале энергий 2-20 эВ. Для реализации проекта использовалась методика по времени пролета, разработанная на мезонной фабрике TRIUMF и существенно нами модифицированная.

В течение трех лет нами выполнен цикл исследований МА и ММ-процессов с использованием водородо-дейтериевых и водородо-тритиевых смесей, находящихся в твердом состоянии. Существенно, что ранее все эксперименты по изучению МА и ММ-процессов проводились в среде чистых изотопов водорода и их смесях, находящихся в газообразном либо жидком состояниях. В итоге наши результаты привнесли много принципиально нового в интерпретацию механизмов процессов, протекающих при остановке отрицательных мюонов в смесях изотопов водорода.

В середине 90-х годов возник интерес к изучению зарядово-несимметричных мюонных комплексов, и, в частности, к ННе системам - исследование механизмов образования и распада таких систем, а также реакций ядерного синтеза, протекающих в них.

Толчком к исследованию МА и ММ-процессов, протекающих в водородо-гелиевых смесях, явились, с одной стороны, обнаружение нами ранее механизма молекулярной перезарядки мю-атомов изотопов водорода на ядрах гелия, а с другой, - возможность изучения редкого процесса ядерного синтеза в зарядово-несимметричных мюонных комплексах, благодаря появлению сильноточных мюонных пучков. Изучение d3Не-реакции, зеркальной по отношению к dt-реакции, интересно не только с точки зрения разрешения ряда проблем, существующих в астрофизике, но для тестирования фундаментальных симметрий в низкоэнергетической области и, в частности, зарядовой независимости ядерных сил.

В связи с этим на рассмотрение программного комитета PSI (Швейцария) нами в 1998 году был представлен проект "Исследование ядерного синтеза в d3He-комплексе", целью которого являлось исследование процесса мюонного катализа d3He-реакции в дейтерий-гелиевой смеси. Проект был принят к реализации на мезонной фабрике PSI, и в состав коллаборации вошли ОИЯИ, Фрибургский университет (Швейцария), PSI (Швейцария), Университет науки и технологии ГМА (Краков, Польша) и Мюнхенский университет (Германия).

Для выполнения намеченной программы в ОИЯИ была создана газовая криогенная мишень-криостат, рассчитанная на рабочую температуру порядка 30 К, система очистки и заполнения мишени чистыми изотопами водорода и гелия, а также система регистрации протонов с энергией 14,64 МэВ (образующихся в результате протекания реакции d3Не-синтеза в d3Не-комплексе) на базе кремниевых детекторов. Использование многофункциональной системы регистрации мюонов, протонов, дейтронов, мю-рентгеновского излучения 3He-атомов и электронов от распада мюонов позволило одновременно получать большой объем информации.

Созданные нами экспериментальные установки в TRIUMF и PSI обладали большей светосилой по сравнению с другими, предназначенными для исследования МА и ММ-процессов. Поэтому полученные нами результаты, обладая высокой точностью и достоверностью, привнесли много принципиально нового в интерпретацию механизмов процессов, протекающих при остановке отрицательных мюонов как в смесях изотопа водорода, находящихся в твердом состоянии, так и смесях водорода и гелия в газообразном и жидком состояниях. Большинство научных результатов, представленных в этом цикле, являются пионерскими, они существенным образом расширили понимание всей сложной и разветвленной цепи мю-атомных и мю-молекулярных процессов. Полный анализ экспериментальных данных, полученных в процессе измерения, целиком осуществлялся в ОИЯИ.

Мне кажется, что результаты проведенных исследований внесли значительный вклад в область физики экзотических систем и служат как для уточнения исходных теоретических моделей и предсказаний новых физических эффектов, так и для дальнейшего прецизионного исследования зарядово-несимметричных мюонных комплексов и твердотельных эффектов, наблюдающихся при образовании мюонных атомов в кристаллической решетке изотопов водорода.

Из отзыва конкурсной комиссии: "Приятно удивляет продуманность каждого из представленных проектов, которая, с одной стороны, позволила обнаружить ряд совершенно новых явлений в области изучения мюонных процессов, а, с другой, - получить большое количество пионерских результатов".