Экспериментальное изучение легких нейтронноизбыточных и нейтронных ядер тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи УДК 539.14

Никольский Евгений Юрьевич

Экспериментальное изучение легких нейтронноизбыточных и нейтронных ядер

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 2000

Работа выполнена в РНЦ «Курчатовский Институт» и

в Институте Физических и Химических Исследований (ШКЕТЯ,

Япония).

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Коршенинников доктор физико-математических наук,

Алексей Александрович член-корреспондент РАН,

РНЦ «Курчатовский Институт», г. Москва

Новацкий кандидат физико-математических наук,

Борис Григорьевич РНЦ «Курчатовский Институт», г. Москва

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Микаэлян Лев Сергеевич доктор физико-математических наук,

профессор,

РНЦ «Курчатовский Институт»

Спасский Андрей Васильевич кандидат физико-математических наук,

НИИЯФ МГУ

ВЕДУЩАЯ Лаборатория ядерных реакций

ОРГАНИЗАЦИЯ: ОИЯИ, г. Дубна

Защита диссертации состоится _декабря 2000 г. в часов на

заседании Специализированного Совета при РНЦ «Курчатовский институт» по ядерной физике и физике твердого тела (Д.034.04.02) по адресу: г. Москва 123182, пл. Курчатова 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский Институт» Автореферат разослан _ноября 2000 г.

¿В83,/с}03 В28&.90</.АЭс.,03

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физ.-мат. наук М.Д.Скорохватов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В течение последнего десятилетия одним из наиболее плодотворных путей выяснения фундаментальных вопросов физики атомного ядра является экспериментальное изучение характеристик легчайших ядерных систем, в особенности, ядер с большим нейтронным избытком. Значительных успехов в этой области удалось добиться с появлением вторичных радиоактивных пучков. Пионерские работы Танихаты с соавторами [1,2] на радиоактивных пучках привели к обнаружению необычно больших сечений взаимодействия для ядер 6Не, 8Не, и1л и, как следствие, поставили вопрос о существовании большого нейтронного гало или протяженной нейтронной «шкуры» в таких слабосвязанных ядрах. Основываясь на гипотезе нейтронного гало для этих систем, было предсказано существование низколежащего гигантского дипольного резонанса или «мягкой» дипольной моды возбуждения [3]. Ядро "1л - так называемое боромиевское ядро - имеет кластерную структуру - 9и+п+п. Оно ядерно-устойчиво, но подсистемы п+ п и п + 9У несвязаны. Многими отмечается, что несмотря на интенсивное изучение этого ядра, до сих пор нет ясного понимания структуры даже его основного состояния [4]. Необходимы более детальные корреляционные эксперименты для проверки различных теоретических моделей и изучения структуры низколежащих состояний МЫ, так как расчеты ядра "Ы в области континуума сильно чувствительны к выбору п + 9Ы потенциала.

На момент выполнения данной работы информация о схеме уровней ядра "У была крайне скудной. По сути, этому вопросу посвящены лишь два эксперимента, результаты которых противоречили друг другу [5,6].

Очень актуальной задачей является также проверка гипотезы существования в слабосвязанных нейтронноизбыточных ядрах особого класса возбуждения - «мягкой» моды дипольного резонанса.

Значительный интерес представляют характеристики ядерноне-стабильного изотопа 4Н. Это ядро исследовалась в большом числе экспериментов, но до сих пор полученные значения его энергии распада противоречивы. Здесь наблюдается схожая ситуация с проблемой п1л. Так в теоретической работе [7] отмечается, что неопределенность потенциала в подсистеме п + 3Н приводит к существенной сдвижке расчетной энергии для 5Н - резонанса, недавно обнаруженного экспериментально [8].

Особый интерес представляет вопрос о возможном существовании резонансных состояний в чисто нейтронных системах, например простейших, таких как Зп и "п. Экспериментальная ситуация по трехней-тронной системе на момент выполнения нами экспериментов была неоднозначной, а теоретические расчеты в различных моделях также не давали ясной картины [9]. Что касается тетранейтрона 4п, то здесь накоплено значительно меньше экспериментального материала.

Может ли система из многих нейтронов быть связанной? При всей экзотичности этого вопроса отметим, что такая ситуация строго не запре-щена исходя из имеющихся на данный момент у нас знаний о ядерных силах. Теоретический же расчет крайне сложен (проблема многих тел) и в настоящее время вряд ли может дать однозначный ответ. Единственный путь здесь - это эксперименты, актуальность проведения которых представляется несомненной, в особенности учитывая, что в работах [10, 11] сообщается о положительном результате поиска таких ядер.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Основными целями диссертационной работы являлись:

1. Спектроскопическое исследование экзотического ядра "и в его упругих и неупругих столкновениях с протонами, поиск низколе-жащих уровней "1Л, а также измерение угловых распределений упругого и неупругого рассеяния П1Л + р для исследования деталей структуры состояний "У.

2. Экспериментальное изучение нестабильного ядра 4Н при низких энергиях в двух реакциях: с использованием радиоактивного пучка 6Не - 0(6Не,а) и на пучке ионов лития - 61л(61л,8В).

3. Исследование нейтронных систем Зп и 4п в реакциях с ионами 1Ы.

4. Поиск ядерностабильных мультинейтронов (хп) в спонтанном делении 252СГ

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Впервые для изучения нейтронноизбыточного ядра "Ы проведены корреляционные измерения на вторичном пучке в обратных кинематических условиях. Это позволило наблюдать первое возбужденное состояние в "и при Е « 1.3 МэВ с большой статистикой и изучить его структуру. Найдены и другие уровни ядра "Ы.

2. Полученное угловое распределение для уровня 1.3 МэВ дало возможность установить, что это состояние имеет дипольную моду возбуждения.

3. Использование бинарных пучков ядер позволило одновременно получить данные для упругого рассеяния "Li + р и 8Не + р при энергиях 75А МэВ и 66А МэВ, соответственно.

4. Впервые ядро 4Н исследовалось в реакции D(6He,a)4H, где было получено новое значение дефекта массы 4Н. Это значение было подтверждено дополнительными измерениями реакции 6Li(6Li,8B)4H, выполненными под предельно малыми углами. В измеренных спектрах реакции D(6He,a) есть указание на наблюдение в Н возбужденного состояния.

5. Впервые получены непрерывные энергетические спектры, характеризующие возбуждения системы Зп в реакциях T(7Li,7Be)3n, 7Li(7Li,"C)3n, а также 4п в реакции 7Li(7Li,'°C)4n под малым лабораторным углом (2°).

6. Поиски мультинейтронных ядер хп впервые проведены в спонтанном делении (252Cf). Рассмотрен процесс замедления *п в веществе. Разработана и применена новая методика их поиска.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

- Найдены неизвестные ранее состояния в nLi и приведены значения их энергий;

- Получены данные по упругому рассеянию uLi + р и 8Не + р при 75А МэВ и 66А МэВ;

- Измерено угловое распределение для первого возбужденного состояния в "Li (1.3 МэВ) при энергии 68А МэВ и установлено, что оно соответствует переходу с L = 1;

- Впервые в мире на циклотроне РНЦ применен вторичный радиоактивный пучок бНе для исследования ядерных реакций.

Определено новое значение дефекта массы ядра 4Н. В спектре а-частиц реакции 0(6Не,а) наблюден пик, который интерпретирован как наблюдение возбужденного состояния 4Н;

- Получены энергетические спектры ядер 7Ве, "С, 10С из реакций Т(7и,7Ве)3п, 7Ы(7Ь1,"С)3п и 7Ы(7Ы,'°С)4п под углами ©лс = 10° и 2°. Дана верхняя оценка сечения образования связанного ядра4п;

- Разработана новая методика поиска нейтронных ядер. Дана верхняя оценка выхода мультинейтронов в тройном делении 252С£

КОНКРЕТНОЕ УЧАСТИЕ АВТОРА

Автор принимал непосредственное участие на всех этапах работы, начиная от планирования экспериментов и заканчивая представлением результатов на международных конференциях и в печати.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Экспериментальные результаты по спектроскопическому исследованию ядра П1Л в его упругих и неупругих столкновениях с протонами и их анализ.

2. Полученное угловое распределение для уровня 1.3 МэВ дало возможность установить, что это состояние имеет дипольную моду возбуждения.

3. Использование бинарных пучков ядер позволило одновременно получить данные для упругого рассеяния "Ы + р и 8Не + р при энергиях 75А МэВ и 66А МэВ, соответственно.

4. Спектры а-частиц и ядер В из реакций и 61л(61л,8В), полученное значение дефекта массы ядра *Н.

5. Экспериментальные результаты по изучению систем из трех и четырех нейтронов в реакциях T(7Li,7Be)3n, 7Li(7Li,MC)3n и 7Li(7Li,10C)4n.

6. Результаты поиска нейтронных ядер в тройном делении ^Cf двумя различными методами.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Работы, составляющие материал диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах в РНЦ «Курчатовский Институт», Институте RIKEN (Япония), Институте HMI (Германия).

Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

- Международное Совещание по физике Ядра (39-ое Совещание по Ядерной Спектроскопии и Структуре Атомного Ядра), Ташкент, Апрель 18-21, 1989.

- International Conference on Exotic Nuclei, Foros, Crimea, 1-5 October 1991.

- Meeting of Physical Society of Japan, Shizuoka, Japan, September 1994.

- International Conference on Exotic Nuclei and Atomic Masses

(ENAM- 95), Aries, France, June 19 - 23,1995.

- International Workshop on Physics of Unstable Nuclear Beams, August 28-31, 1996, SerraNegra, Sao Paolo, Brazil.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Материал работы, изложенный на 124 страницах машинописного текста, включает 39 рисунков, три таблицы и список литературы, содержащий 82 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении (первая глава) определена тема диссертационной работы - экспериментальное исследование легких нейтронноизбыточных и чисто нейтронных ядер. Дается обоснование актуальности проблемы. Сформулированы основные задачи работы - изучение структуры ядра "Li и его возбужденных состояний, измерение массы изотопа 4Н, поиски резонансов в системах трех и четырех нейтронов, поиски нейтронных ядер.

Во второй главе приводятся результаты первого эксперимента по "Li+p рассеянию при энергии 72А МэВ, выполненного в корреляционных измерениях в методе недостающей массы и обратной кинематике.

Описан способ получения вторичного пучка nLi на ускорительном комплексе RIKJEN (Япония) и представлены основные характеристики фрагмент-сеператора RIPS - главного инструмента для получения пучков радиоактивных ядер. В эксперименте получена рекордная интенсивность пучка nLi ¡» 20 ООО частиц/сек. Отмечается, что установка RIPS была настроена таким образом, что помимо ядер "Li вторичный пучок содержал ядра 8Не энергия которых составляла 66А МэВ (бинарный пучок). Это дало возможность одновременно с исследованием структуры ядра "Li изучать рассеяние 8Не + р.

Дано описание детектирующей системы, которая состояла из: секции диагностики вторичного пучка (пластиковые сцинтилляторы и многопроволочные пропорциональные камеры (MWPC)); секции регистрации протонов отдачи (вакуумная камера, телескопы полупроводниковых детекторов, мишенное устройство); секции регистрации заряженных продуктов, испускаемых по направлению вперед (дипольный магнит,

дрейфовая камера и годоскоп пластиковых сцинтилляторов); комплекса пластиковых сцинтилляторов для детектирования нейтронов (нейтронные стенки). Приведены экспериментальные спектры идентификации частиц вторичного пучка по ионизационным потерям и времени пролета, распределение частиц на мишени, идентификационный спектр дЕ-Е для изотопов водорода, зарегистрированный одним из телескопов, примеры надежного разделения частиц из распада по заряду и массе.

Рис. 1. Инклюзивный спектр протонов из рассеяния р + п1л. Кривые показывают: 1 - фазовый объем р + п + п + 91л; 2 - взаимодействие в конечном состоянии (п + п или п + 91л); 3 - взаимодействие в конечном состоянии через низколежащий резонанс |0Ы.

Годоскоп, дрейфовая камера и нейтронные стенки давали возможность изучать эксклюзивные спектры протонов в совпадениях с изотопами 7,8,91л и нейтронами из распада "Ы*. Расположение всех элементов детектирующей системы, выбор соответствующих толщин мишеней осуществлялся исходя из полного моделирования эксперимента методом Монте-Карло.

Окончательные протонные спектры показаны на рис. 1 и 2 (крайне малый фон от углерода вычтен). Они получены преобразованием реально измеренных распределений протонов с!гМЛШлаб(10лаб в распределения в шкале энергии возбуждения ядра и далее были проинтегрированы по всем углам внутри аксептанса телескопов (врла6 ~ 60°-80°). Инклюзивный спектр протонов показан на рис. 1. Здесь хорошо виден интенсивный пик при Е*цц = 0, отвечающий основному состоянию "У. Результаты расчетов типичных физических фонов представлены кривыми 1-3. Стрелками на рис. I показаны позиции возбужденных состояний "У, найденных ранее в работах [5,6]. Видно, что в области энергий 4.9 и 6.4 МэВ наблюдаются особенности.

-р^ирИи) -р^ир9^)

е;ь.,мэв

8 12 16 20

Е;.и,мэв

Рис.2. А - инклюзивный спектр протонов с улучшенным энергетическим разрешением, полученный путем исключения из анализа событий с малыми протонными энергиями; Б - спектр протонов в совпадении с 91л (сплошная гистограмма) и в совпадении с п1л (пунктирная гистограмма).

На рис. 2А показан инклюзивный спектр с улучшенным энергетическим разрешением (исключены события, отвечающие малым энергиям протонов, которые ухудшают разрешение из-за толщины мишени), где явно виден пик при Е*пи = 1.25 МэВ, что совпадает с результатом из [5]. Это же состояние с бесспорной статистической значимостью ясно видно на рис. 2Б. На этом рисунке также видны структуры при энергиях Е* = 3.0 ± 0.2, 4.9 ± 0.25 и 11.3 ± 0.35 МэВ. Положение этих состояний согласуется с результатами работы [6] (энергия первого пика несколько отличается от энергии, найденной в [6]). Заметим, что наличие низко-лежащего уровня при Е = 1.25 МэВ недавно нашло подтверждение в работах [12,13].

Сделаны предположения о возможной природе найденных состояний ядра "У. Первое возбужденное состояние вероятнее всего соответствует возбуждению нейтронов гало. Уровень при Е ~ 3.0 МэВ может соответствовать возбуждению кора 9Ы и соответственно иметь квантовые числа

= 1/2". Если суммировать энергии двух первых низколежащих уровней в "У, то результат 4.3 МэВ) близок к значению энергии третьего найденного возбужденного состояния (~ 4.9 МэВ), и, следовательно, данное состояние может иметь структуру возбужденного остова 9П с одновременным возбуждением валентных нейтронов. Энергия четвертого возбужденного состояния и1л очень близка к энергии уровня 6.43 МэВ в 91л, который расположен в окрестности порога распада на 7Ы + п + п, что позволяет предположить структуру, представляющую сабой кор из ядра 7Ы и 4-х нейтронов, образующих гало.

врЦ'М; град.

Рис. 3. Угловые распределения упругого рассеяния 11У + р при 75 А МэВ и 62А МэВ, а также для 9У + р при 60А МэВ [14]. Кривые соответствуют расчетам в эйкональном приближении (см. текст). На вставке показаны нейтронные и протонные плотности в ИЫ.

Полученное угловое распределение для упругого рассеяния "и + р

проанализировано в различных моделях. Показано, что оптическая модель с параметрами, найденными в [14] для 62А МэВ достаточно хорошо воспроизводит результаты эксперимента и демонстрирует, таким образом, взаимную согласованность данных для двух различных энергий в пределах рассматриваемого углового диапазона. Результаты проанализированы также в эйконально,м подходе с плотностями ПЫ, полученными в трехчастичной модели 91л + п + п в приближении

11

СОБМА (кластерно-орбитальная оболочечная модель). Плотность нейтронного гало была взята для четырех экстремальных случаев: два валентных нейтрона находятся в 1р, 2з, 1 с! и состояниях [4]. Результаты расчета показаны на рис. 3 для двух энергий 75 и 62А МэВ, где сплошная кривая отвечает 1р - состоянию, точечная - 1б, штриховая - И и штрих-пунктирная - 2б. Вставка на рис. 3 демонстрирует нейтронную и протонную плотности на примере состояния 1р. Результаты расчета удовлетворительно согласуются с экспериментом, однако их близость к друг другу позволяет утверждать, что упругое рассеяние (по крайней мере при низких энергиях), по всей видимости, не является чувствительным инструментом для исследования деталей структуры нейтронного гало. На рисунке также приведены данные для рассеяния 91л + р из [14], а сплошная кривая - проведенные вычисления для протонного и нейтронного плотностей, взятых одинаковыми в виде распределений Гаусса с радиусом, равным экспериментальному значению материального радиуса КЭ"СПМЭТ(9Ы) = 2.32 Фм [2].

В третьей главе приведены результаты повторного спектроскопического исследования ядра "Ы в рассеянии п1л + р, выполненного при энергии 68А МэВ, причем основной целью опыта являлось измерение углового распределения для состояния при Е* ~ 1.3 МэВ в п1л. Схема эксперимента была очень близка к первому опыту, рассмотренному в главе 2, однако, в данном случае расположение дрейфовой камеры и годоскопа, а также установка соответствующего магнитного поля в дипольном магните позволяли регистрировать все заряженные частицы 9У, 8У и 71л из развала "Ы, т.е был достигнут полный аксептанс для этих ядер. Это позволило получить угловое

распределение для состояния при 1.3 МэВ в "У, которое вместе с данными для упругого рассеяния показано на рис. 4.

Эр . град-

Рис. 4. Угловые распределения упругого и неупругого рассеяния 11У + р при 68А МэВ. Кривые демонстрируют результаты расчетов методом связанных каналов с возбуждением "и при переданном орбитальном моменте Ь = О, 1, 2, 3. Для Ь = 0 кривая с длинным пунктиром отвечает результату расчета с формфактором, полученном в «дыхательной» моде [16].

Полученное угловое распределение упругого рассеяния описано стартуя от оптического потенциала, найденного в работе [15] для р + пи рассеяния при 62А МэВ, измеренного в работе [14]. Далее подогнанный потенциал использовался в расчетах в методе связанных каналов для

возбужденного состояния "Li с переданными орбитальными моментами L = 0, 1, 2, 3. Для L = 0 были проанализированы как традиционный форм-фактор, pdV/dr, так и «дыхательная» мода [16]. Вычисления были выполнены по программам ECIS [17] и CHUCK [18] и дали очень схожие результаты. Указанные расчеты приведены на рис. 4.

Та же процедура была повторена, стартуя от потенциалов: 1) без поверхностной мнимой части; 2) без объемной мнимой части (т.е. только с поверхностным членом); 3) потенциала, содержащего только объемные реальную и мнимую части. Полученные результаты оказались близкими к кривым, представленным на рис. 4.

Как видно из рис. 4, экспериментальное угловое распределение для уровня 1.3 МэВ согласуется с L = 1, т.е это состояние соответствует дипольной моде возбуждения. Из проведенного анализа следует, что данному состоянию можно приписать квантовые числа в системе n + п + 9Li, равные J* = 0" или Г (опуская спин-четность ядра 9Li). Сделан вывод, что основное состояние "Li не может иметь структуру с валентными нейтронами в чистом S-состоянии, а должно содержать значительную примесь Pl/2-состояния.

Показано, что альтернативная интерпретация возникновения пика 1.3 МэВ в "Li с помощью «shakeoff» - процесса [19] является некорректной. Об этом, в частности, свидельствует симметричная форма данного пика и независимость энергии возбуждения этого состояния от угла регистрируемых протонов.

В четвертой главе приведены результаты изучения ядра 4Н в двух реакциях - D(6He,a) и 6Li(6Li,8B). Описаны метод получения пучка 6Не на магнитном сепараторе МАСЭ РНЦ «Курчатовский Институт« и схема эксперимента. На рис. 5 показан спектр a-частиц, полученный из

реакции (6Не,а) на мишени С02. В спектре видны два ярко выраженных пика при энергиях 22 и 18 МэВ.

Еа.МэВ

Рис. 5. Энергетический спектр а-частиц из реакции (бНе,а), измеренный под углом 6.3° на мишени СБ2.

Показано, что эти особенности в спектре не могуг быть связаны с реакцией на углероде, с примесью водорода в мишени С02, а также с различными двухступенчатыми процессами. Сделан вывод, что данные пики в спектре а - частиц соответствуют несвязанным основному и возбужденному состояниям ядра 4Н с энергией распада равна 2.0 + 0.3 МэВ и 5.2 + 0.5 МэВ, соответственно. Предполагается, что возбужденному состоянию в 4Н соответствует конфигурация (с1 + 2п) со спин-четностью 1+.

Проведено измерение массы 4Н также и в реакции 61л(61л,8В) под малыми углами при энергиях вЫ 85 МэВ и 93 МэВ. Энергетические спектры ядер 8В были измерены на установке МАСЭ под углом 2° в л. с. Калибровка спектров по известным уровням остаточных ядер |0Ве и С

15

позволила установить значение энергии распада основного состояния 4Н - Е = 2.3 ± 0.3 МэВ. В итоге определено новое значение дефекта массы ядра 4Н, равное 25.3 + 0.3 МэВ.

В пятой главе описаны результаты экспериментов по поиску резонансов в системах из трех и четырех нейтронов.

Е*(4п), МэВ

Е(,0С), МэВ

Рис.6. Спектр реакции 71Л(7и,10С)4п, измеренный под углом елс = 2° на магнитном сепараторе МАСЭ.

В спектрах ядер 7Ве и "С из реакций Т(7Ы,7Ве)Зп и 7и(71л,"С)Зп при елс = Ю° не обнаружено каких-либо особенностей, которые могли бы рассматриваться как проявление резонансного состояния в системе трех нейтронов. Экспериментальные данные удовлетворительно описываются соответствующими 4-х частичными фазовыми распределениями. Аналогичный результат получен для реакции 71л(71л,пС)Зп при 9Л с. = 2° на магнитном сепараторе МАСЭ. В целом, сделан вывод об отсутствии в ядерной системе из трех нейтронов

16

резонансных состояний с шириной Г £ 3 МэВ в области энергий возбуждения до 10 МэВ.

Проведен поиск резонанса в системе 4п в реакции 71л(71л,10С) под углами елс = 2° и 10°. Энергетический спектр ядер 10С, измеренный при 9ЛС = 2° и энергии 71л 82 МэВ, приведен на рис. 6. Видно, что начиная от порога реакции 7и(71л,10С)4п, соответствующего нулевой энергии в системе 4-х нейтронов, наблюдается плавный подъем спектра в сторону меньших энергий без каких-либо особенностей. Соответствующий пятичастичный фазовый объем |0С + 4п показан на рисунке сплошной линией. Измерения данной реакции под углом 0„с = 10° также демонстрируют плавный характер энергетических спектров. Отмечается, что полученная верхняя оценка сечения образования связанного 4п, равная 2 нб/ср (в с.ц.м.) еще раз подтвердила вывод об отсутствии ядерностабильного четырехнейтрона, что свидетельствует об ошибочности результата, полученного в [20].

В шестой главе представлены два эксперимента по поиску нейтронных ядер в тройном делении 252СТ, где применялся источник активностью » 1 х Ю7 делений/сек. В .первом опыте, основанном на активационном методе с использованием реакции 2бМ(х-2)п)28М§ на установке «низкофоновый у-спектрометр» была надежно зарегистрировано образование изотопа 28Mg. Однако, последующие контрольные измерения показали, что найденная активность 28М§ объясняется реакцией 0,р) на матрице 26М§. На примере ядра 6п оценены сечения каналов реакций типа (хп, (х-А)п) на ядрах 19Р, 24Mg, 25М§, 208РЬ, ,03И1 с образованием компаунд-системы и последующим испарением (х-А) нейтронов. В проведенных облучениях на образцах 19Р, 25М§, 1гаШ1, "°Р<1, 208РЬ искомых активностей найдено не было. С целью увеличения

эффективности регистрации впервые рассмотрен процесс замедления хп в веществе. Используя оценки, полученные в расчетах по методу Монте-Карло, проведены облучения мишеней 25М§, 2бМ§, и 208РЬ с

замедлителями из лития-7, естественного бора и реакторного графита. Однако, и в этих измерениях не было обнаружено характерных активностей, обязанных соответствующим реакциям с ядрами хп.

Предложен новый метод поиска нейтронных ядер - реакции передачи одного и двух нейтронов на изотопах водорода - Б(хп, 1)(х-1)п и Н(*п, 1)(х-2)п с регистрацией ядер трития телескопом кремниевых детекторов. Отмечается, что в активационных измерениях канал однонейтронной передачи (Хп(х-1)п) принципиально непригоден из-за фоновой реакции радиационного захвата (п, у). Статистика, набранная на мишени СН2 не позволила утверждать, что число тритонных событий превышает их количество на углеродной мишени. Эффект на СБ2 в несколько раз превышал фон от углеродной мишени, но этому после серии контрольных измерений было найдено объяснение. Оказалось, что источником фоновых тритонов являлась реакция Б(с1,1)р, наведенная в мишени С02 дейтронами отдачи, возникающими в интенсивном нейтронном потоке.

В целом, поиски мультинейтронов позволили получить оценку верхней границы выхода ядер хп на один акт деления 251а~ У < 10"8.

В заключении (седьмая глава) приведены основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В спектрах возбуждения ядра "и обнаружены следующие состояния: Е = 1.25 ± 0.15, 3.0 ± 0.2, 4.9 ± 0.25, 6.4 ± 0.25 и 11.3 ± 0.35 МэВ. Сравнение с возбужденными состояниями 9Ы дает основание полагать, что уровень при 1.25 МэВ соответствует возбуждению нейтронов гало. Остальные уровни 11 У, скорее всего, связаны с возбуждением кора 91Л.

2. Получены угловые распределения упругого рассеяния "Ы + р при 75А МэВ и 8Не + р при 66А МэВ, которые проанализированы в эйкональном подходе с плотностями, взятыми из кластерно-орбитальной оболочечной модели СОЭМА. Показано, что расчет для м1л удовлетворительно описывает измеренные распределения, но не дает заметных отличий для разных наборов валентных нейтронов в «чистых» 1$, 1р, 1(1 и — состояниях. Расчет для рассеяния 8Не + р также показал хорошее согласие с экспериментом.

3. Измерено угловое распределение для состояния Е ~ 1.3 МэВ в

Из анализа следует, что данному уровню можно приписать квантовые числа в системе п + п + 91л, равные = 0' или 1" (опуская спин-четность ядра 91Л), что указывает на дипольный характер его возбуждения. Показано, что основное состояние "Ы не может иметь структуру только с 1Б валентными нейтронами, а должно содержать значительную примесь конфигурации РШ-состояния.

4. В реакции 0(6Не,а)4Н установлено, что основное состояние ядра 4Н нестабильно относительно распада 4Н -* г + п на 2.0 ± 0.3 МэВ, что подтверждено в исследованиях реакции би(6и,8В), где получено близкое значение энергии распада - 2.3 ± 0.3 МэВ. Таким образом,

определено новое значение дефекта массы ядра 4Н, равное 25.3 ± 0.3 МэВ. В спектрах реакции 0(6Не,а)4Н обнаружен резонанс, интерпретируемый нами как возбужденное состояние системы 4Н с энергией распада 5.2 ± 0.5 МэВ и Г = 1.2 + 0.4 МэВ. Высказано предположение, что данное состояние имеет конфигурацию (с! + 2п) с квантовыми характеристиками 1+.

5. В спектрах ядер из реакций Т(71л,7Ве)Зп и 71Д71л,пС)Зп при 9ТС = 2° и 10° не обнаружено резонансных состояний в системе трех нейтронов с шириной Г < 3 МэВ в области энергий возбуждения до 10 МэВ. Спектры ядер 10С из реакции 7Ь](7Ы,'°С)4п хорошо воспроизводятся пятичастичным фазовым объемом. Найденная верхняя оценка сечения образования связанного 4п, равная 2 нб/ср (в с.ц.м.) подтверждает отсутствие ядерностабильного тетранейтрона.

6. Поиск нейтронных ядер в тройном делении 252адвумя различными методами - методом активационного анализа с использованием различных активаторов и путем регистрации *п в реакциях одно и двухнейтрон-ной передачи на изотопах водорода дал отрицательный результат. Получена верхняя оценка выхода нейтронных ядер на один акт деления 252СГ-У< 10"8.

Основные материалы диссертации отражены в следующих работах:

1. A. A. Korsheninnikov, Е. Yu. Nikoiskii, Т. Kobayasni, A. Ozawa, S. Fukuda, E. A. Kuzmin, S. Momota, B. G. Novatskii, A. A. Ogloblin, V. Pribora, I. Tanihata, K. Yoshida. «Spectroscopy of the Halo Nucleus "Li by an Experimental Study of "Li + p Collisions», Physical Review C53, R537-R540 (1996).

2. A. A. Korsheninnikov, E. A. Kuzmin, E. Yu. Nikoiskii, О. V. Bochkarev, S. Fukuda, S. A. Goncharov, S. Ito, T. Kobayashi, S. Momota, B. G. Novatskii, A. A. Ogloblin, A. Ozawa, V. Pribora, I. Tanihata, K. Yoshida. «L=l Excitation in the Halo Nucleus 1 'Li», Physical Review Letters 78, p. 2317-2320(1997).

3. Д. В. Александров, E. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, Д. Н. Степанов, В. Бурьян, В. Крога, Я. Новак. «Новые измерения массы изотопа 4Н в реакциях с радиоактивным пучком 6Не и ионами 6Li», Письма в ЖЭТФ 62, с. 18 -22 (1995).

4. Д. В. Александров, Ю. А. Глухов, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, А. А. Оглоблин, Д. Н. Степанов. «Экспериментальное изучение системы из трех нейтронов в реакциях с ионами лития», Ядерная Физика 45, с. 1217-1221 (1987).

5. Д. В. Александров, Ю. А. Глухов, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, А. А. Оглоблин, Д. Н. Степанов. «Поиски тетранейтрона в реакции 7Li + 7Li», Ядерная Физика 47, с. 3 - 6 (1988).

6. Д. В. Александров, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, Д. Н. Степанов.

«Активационный метод в экспериментах по поиску нейтронных ядер», Ядерная Физика 52, с. 933 - 941 (1990).

7. D. V. Aleksandrov, Е. Yu. Nikoiskii, В. G. Novatskii, D.N. Stepanov. «Search for neutron nuclei», Proceedings of the Int. Conf. on Exotic Nuclei, Foros, Crimea, 1-5 Oct., 1991, p. 133-148, World Scientific, Singapore.

Цитируемая литература

1] I. Tanihata et al., Phys. Lett. B160 (1985) 380.

2] I. Tanihata et al., Phys. Rev. Lett. 55 (1985) 2676.

3] K.Ikeda, INS Report JHP-7( 1988).

4] M. V. Zhukov et al., Phys. Rep. 231 (1993) 151.

5] T. Kobayashi, Nucl. Phys. A538 (1992) 343c.

6] H. G. Bohlen et al., Z. Phys. A351 (1995) 7.

7] N. B. Shul'gina et al., Phys. Rev. C62 (2000)*014312-1.

8] A. A. Korsheninnikov et al., Proc. of Int. Conf. On Nuclear Physics, «Clustering Phenomena in Nuclear Physics» (L Meeting on Nuclear Spectroscopy and Nuclear Structure), 14-17 June 2000 St. Petersburg (to be published).

9] D. R. Tilley et al., Nucl. Phys. A474 (1987) 1.

10] C. Detraz, Phys. Lett. 66B (1977) 333.

11] В. А. Агеев и др., Тез. Докл. 35-ого совещ. По ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Л.: Наука, 1985, с. 331.

12] М. Zinser et al., Nucl. Phys. A619(1997) 151.

13] M. G. Gornov et al., Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 4325.

14] C.-B. Moon et al., Phys. Lett. B297 (1992) 39.

15] S. Hirenzaki et al., Nucl. Phys. A552 (1993) 57.

16] G. R. Satchler, Direct Nuclear Reactions, Clarendon Press, Oxford, 1983, p. 588.

17] J. Reynal, Phys. Rev. C23 (1981) 2571.

18] P. D. Kunz, computer code CHUCK, unpublished.

19] S. Karataglidis etal, Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 1447.

20] В. А. Агеев и др., Препринт ИЯИ-85-4. Киев: ИЛИ АН УССР, 1985.

ВВЕДЕНИЕ.

СПЕКТРОСКОПИЯ ЯДРА "Li. ПЕРВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО РАССЕЯНИЮ "Li + p.

2.1. Получение первичного пучка 180 на ускорительном комплексе RIKEN.

2.2. Фрагмент-сепаратор RIPS (RIKEN Projectile Fragment Separator).

2.3. Детектирующая система.

2.3.1. Секция диагностики вторичного пучка.

2.3.2. Секция регистрации протонов отдачи.

2.3.3. Секция регистрации заряженных продуктов, испускаемых по направлению вперед.

2.3.4. Нейтронные стенки.

2.4. Экспериментальные результаты.

2.4.1. Протонные спектры.

2.4.2. О возможной природе уровней в nLi.

2.4.3. Результаты по упругому рассеянию nLi+p и их интерпретация в эйкональном подходе.

2.5. Итоги 1-ого эксперимента по рассеянию р + "Li. ВТОРОЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО РАССЕЯНИЮ "П + р. ОБНАРУЖЕНИЕ ДИПОЛЬНОЙ МОДЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ В и1л.

3.1. Постановка эксперимента.

3.2. Экспериментальные результаты.

3.3. Анализ угловых распределений.

3.4. Структура уровня 1.3 МэВ.

3.5. О возможности альтернативной интерпретации пика при 1.3 МэВ.

3.6. Итоги 2-ого эксперимента по рассеянию р+ "1л. НОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ ИЗОТОПА 4Н В РЕАКЦИЯХ С РАДИОАКТИВНЫМ ПУЧКОМ 6Не И ИОНАМИ 6и.

4.1. Получение пучка 6Не на установке МАСЭ.

4.2. Реакция Б(6Не,а)4Н.

4.3. Реакция 61л(61л,8В)4Н.

4.4. Итоги исследования ядра 4Н. ПОИСКИ РЕЗОНАНСОВ В СИСТЕМАХ ИЗ

ТРЕХ И ЧЕТЫРЕХ НЕЙТРОНОВ.

5.1. Исследование системы из трех нейтронов в реакциях с ионами \л.

5.1.1. РеакцияТ(71л,7Ве)Зп.

5.1.2. Реакция 71л(71л,иС)Зп.

5.1.3. Итоги исследования системы Зп.

5.2. Поиски тетранейтрона в реакции

7Ы + 71л.

5.2.1. Измерение реакции 71л(71л,10С)4п под углом 0л = 10°.

5.2.2. Измерение реакции 71л(71л,юС)4п под углом бл = 2° на магнитномпараторе МАСЭ.

5.2.3. Итоги исследования системы 4п.

6. ЯДЕРНАЯ СУПЕРЭКЗОТИКА - ПОИСКИ СВЯЗАННЫХ МУЛЬТИНЕЙТРОННЫХ СИСТЕМ.

6.1. Активационный эксперимент по поиску хп. Методика измерений и результаты.

6.1.1. Измерения с изотопом

§.

6.1.2. Измерения на образцах 19К, 103Ш1, 110Р<1 208РЬ.

6.1.3. Замедление мультинейтронов.

6.2. Новый метод поиска нейтронных ядер -реакции передачи одного и двух нейтронов на изотопах водорода.

Современная ядерная физика сегодня - достаточно хорошо разработанный раздел физики. Успехи в этой области знания всем очевидны, в частности, ее приложения в технике и технологии оказали значительное влияние на прогресс всего человечества. И в месте с тем, до сих пор создание взаимосогласованной теории атомного ядра и ядерных процессов испытывает определенные проблемы. Эти трудности связаны прежде всего с двумя обстоятельствами - с недостаточностью наших знаний о ядерных силах, действующих между нуклонами в ядре и с многочастичностью самой задачи.

Представляется, что на данный момент одним из наиболее плодотворных путей выяснения фундаментальных вопросов физики атомного ядра является экспериментальное изучение характеристик легчайших ядерных систем, и в особенности, это касается ядер с большим нейтронным избытком. Свойства таких ядер оказались очень необычными в сравнении с представлениями традиционной ядерной физики. Изучение этих свойств в совокупности с разработкой новейших теоретических подходов к описанию таких систем, несомненно, продвигает нас в понимании структуры ядерной материи. В этой связи, укажем на две наиболее важных и наиболее интересных проблемы, которые тесно связаны между собой. Первая из них - это вопрос о структуре, свойствах уже известных нейтронностабильных ядер с аномальным отношением N/Z, лежащих на границе нейтронной стабильности. И второй вопрос - экспериментальное определение этой границы стабильности, в особенности, путем синтеза и поиска до сих пор неизвестных ядерных систем, как ядерно-стабильных, так и существующих в виде резонансов с характерным временем жизни порядка 10"22 секунды, т.е. с типичной шириной - 1 МэВ.

Продвижение экспериментаторов в область больших нейтронных избытков до середины 80-х годов ограничивалось на ускорителях применением пучков стабильных ядер и, в значительной степени, вышло на "насыщение". Огромного прогресса в области изучения ядер, лежащих на и за границей стабильности удалось добиться с появлением вторичных пучков радиоактивных ядер. Первые работы на этих пучках, начиная с пионерских экспериментов Танихаты и сотрудников [Тап85, Тап85а], привели к обнаружению необычно больших сечений взаимодействия для таких ядер, как 6Не, 8Не, "и, "Ве, |4Ве, |7В [Тап85, Тап85а, Тап88, Мк89, 8а189]. Данные этих экспериментов позволили получить важную информацию о размерах этих ядер и привели к вопросу о существовании большого нейтронного гало или протяженной нейтронной "шкуры" в слабосвязанных ядрах (яркий пример - "и) на границе нейтронной стабильности.

Основываясь на гипотезе нейтронного гало, для таких систем было предсказано существование низколежащего гиганского дипольного резонанса, так называемой "мягкой" дипольной моды возбуждения [1ке88]. Такое возбуждение связано с низкочастотными колебаниями нейтронов гало относительно ядра-кора. В простой модели, описывающей ядро ПЫ как 9Ы + динейтрон, были предсказаны большие сечения электромагнитной диссоциации налетающего п1л на тяжелых мишенях [Нап87, Вег88], которые впоследствии обнаружены экспериментально при высоких [КоЬ89], средних [В1а91] и низких энергиях [Апп90]. Так, сечения электромагнитной диссоциации П1Л на свинце при высоких энергиях оказались в 80 раз больше сечений для ядра |2С (после соответствующей нормировки на фактор 7}).

Ядро иЫ - так называемое боромиевское ядро (аналогично ядру 6Не) представляет собой яркий пример кластерной структуры - 91л + п + п. Оно имеет связанное состояние (основное состояние), но подсистемы п + п и п + 9Ы ядернонестабильны - важный пример той роли, которую играют корреляции в легчайших ядерных системах на стабильность самой системы. После обнаружения гиганского гало в "и, эта слабосвязанное ядро активно исследовалась в различных теоретических моделях.

Наибольших успехов здесь удалось добиться в трехчастичном подходе ( инертный кор 91л и два валентных нейтрона) в кластерно-орбитальной оболочечной модели и прямых расчетах методом гиперсферических функций и методом решения связанных уравнений Фаддеева в координатном представлении. Подробный анализ результатов этих расчетов был дан в обзоре Жукова и др.

93]. В этой работе отмечается, что эти подходы, с одной стороны, удовлетворительно воспроизводят такие интегральные характеристики как энергию связи и среднеквадратичный материальный радиус, но, с другой стороны, не дают ясного понимания структуры основного состояния. Одна из проблем -недостаточное знание потенциала взаимодействия нейтрон - 9Ы. В работе также указывается, что необходимы более детальные корреляционные эксперименты для теста различных теоретических моделей, а также информация о структуре низколежащих состояний "и, так как расчеты ядра "Ы в области континуума сильно чувствительны к выбору п + 9и потенциала.

На момент выполнения данной работы информация о схеме возбуждения ядра "и была крайне скудной. По сути, этому вопросу были посвящены лишь два эксперимента, результаты которых противоречили друг другу [КоЬ92, ВоЬ95]. Эксперимент по спектроскопии "1л, выполненный нами на ускорительном комплексе института ЮКЕЫ (Япония) описан в главе 2.

В главе 3 представлен эксперимент, цель которого была в детальном исследовании природы найденного первого возбужденного состояния в ядре "и, проверке гипотезы существования в слабосвязанных нейтронноизбыточных ядрах особого класса возбуждения - "мягкой" моды дипольного резонанса.

Вторичные пучки радиоактивных ядер дают крайне интересную и важную информацию о структуре ядерных состояний с большим нейтронным избытком не только при высоких и средних энергиях, но также при малых энергиях сталкивающихся ядер. В 1988 году на циклотроне Курчатовского Института вступил в действие магнитный сепаратор МАСЭ. Спроектированный, главным образом, для исследования ядерных реакций под углами, близкими к нулю, он уже в следующем году стал использоваться для получения вторичного пучка ядер 6Не. На этом пучке впервые начались эксперименты по изучению реакции передачи (6Не, а) на легких мишенях. Для реакций передач малые энергии обладают существенным преимуществом - канал развала слабосвязанного налетающего ядра при этих энергиях сильно подавлен и сечения передачи одного или нескольких нейтронов должны быть значительно выше, чем при высоких энергиях.

Значительный интерес представляют данные по легчайшей нейтрононестабильной системе - резонансу 4Н. Эта система исследовалась в большом числе экспериментов, но до сих пор существуют противоречия в данных по энергии основного состояния этого ядра. Здесь наблюдается схожая ситуация с проблемой "Ы. Так в теоретической работе [БЬиОО] отмечается, что, неопределенность потенциала в подсистеме п + 3Н приводит к существенной сдвижке расчетной энергии для 5Н - резонанса, недавно обнаруженного экспериментально [КогОО]. В 4 - ой главе приведены результаты исследования нейтрононестабильного ядра 4Н на вторичном пучке 6Не в реакции 0(6Не, а)4Н и в реакции 6У(6и, 8В) на "обычном" пучке ионов 6Ьь

Особый интерес представляет вопрос о существовании резонансных явлений в чисто нейтронных системах, например простейших, таких как Зп и 4п. Экспериментальная ситуация по трехнейтронной системе на момент выполнения нами экспериментов, описанных в главе 5, была достаточно неоднозначной (см., например, обзор [ТП87]). Теоретические расчеты в различных подходах также не давали ясной картины [ТП87]. По системе 4п накоплено значительно меньше экспериментального материала. Результаты проведенного нами эксперимента по поиску резонансов в четырехнейтронной системе также приведены в главе 5.

И, наконец, последняя, 6-ая глава диссертации названа "Ядерная суперэкзотика - поиски связанных мультинейтронных систем". Сама мысль о возможности существования ядерностабильных мультинейтронов достаточно экзотична. Однако, такая ситуация строго не запрещена исходя из имеющихся на данный момент у нас знаниий о ядерных силах. Теоретический же расчет здесь крайне сложен и вряд ли может дать определеный ответ на сегодняшний день. Единственный путь здесь - это эксперимент. Если такая система существует, то она должна обладать крайне малой энергией связи и, соответственно, очень большими размерами Ранее, опыты по поиску нейтронных ядер проводились на ускорителях при достаточно высоких энергиях,

2. СПЕКТРОСКОПИЯ ЯДРА п1л. ПЕРВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО РАССЕЯНИЮ "1Л + р

Нейтронноизбыточное ядро ПЫ представляет собой, пожалуй, одну из наиболее интересных систем в ядерной физике. Имея крайне малую энергию связи двух валентных нейтронов ( ~ 0.3 МэВ), это ядро обладает необычно большим радиусом [Тап85а], что позднее было интерпретировано как сушествование в такого типа слабосвязанных ядрах "нейтронного гало" [Нап87]. Структура основного состояния и1л исследовалась в большом числе работ (см., например, [Тап95, Яи94, Ъ\т9Ъ]). В то же самое время, проблема структуры ядра п1л тесно связана с вопросом о его возбужденных состояниях. Поэтому соответствующие экспериментальные исследования становятся крайне важными. Особенно это касается нового типа возбуждения ядра, так называемой "мягкой диполной моды", которая, как ожидается, присутствует в ядрах с нейтронным гало. Однако, огромные экспериментальные трудности, возникающие при попытках изучения уровней такого далеко удаленного от линии стабильности ядра как ИЫ, привели к тому, что на момент выполнения данной работы было проведено лишь два эксперимента [КоЬ92, ВоЬ95].

В работе [КоЬ92] для поиска возбужденных состояний ПЫ впервые исследовалась реакция "В(тс , тс+)"Ы. В спектрах было получено указание на обнаружение состояния при Е* = 1.2 ± 0.1 МэВ. Во втором эксперименте спектроскопия ядра "У изучалась в реакциях 10Ве(|4С, 13Ы)"и и 14С(|4С, |7Р)"и [ВоЬ95], где были найдены три возбужденных состояния при Е* = 2.47 ± 0.07, 4.85 ± 0.07 и 6.22 ± 0.07. Эти состояния не были обнаружены в [КоЬ92], но с другой стороны, уровень ядра "У при 1.2 МэВ, о котором сообщалось в

Kob92], не был найден в [ВоЬ95]. Такая экспериментальная неопределенность в данных, а также малая статистика, полученная в [КоЬ92] и высокий уровень фона, возникающий при использовании композитных мишеней в [Boh95], стимулировали нас на проведение нового спектроскопического исследования ядра "Li в рассеянии р + "Li. Одним из ключевих моментов в эксперименте являлось применение корреляционных измерений, т.е возможность получения спектров протонов отдачи в совпадении с частицами из распада возбужденного ядра "Li.

Изучение структуры nLi проводилось в Институте Физической и Химической Физики (RIKEN, Япония). Мы использовали вторичный пучок радиоактивных ядер nLi (время жизни 8.7 мс) и проводили изучение столкновений 11 Li + р в обратных кинематических условиях. Для изучения спектра возбуждений ядра nLi и измерения упругого и неупругого рассеяния применялся метод недостающей массы, основанный на регистрации протонов отдачи как в инклюзивном случае, так и в совпадениях с заряженными частицами и нейтронами, образующимися при диссоциации nLi.

Проведение экспериментов на пучках радиоактивных ядер с чисто технической стороны представляет собой очень трудную задачу. Поэтому, видится просто необходимым, прежде чем переходить непосредственно к изложению физических результатов, дать краткое описание способа получения вторичных пучков на ускорительном комплексе RIKEN и представить основные характеристики измерительной системы. Раздел 2.1 настоящей главы посвящен описанию ускорительного комплекса и дает представление о некоторых деталях получения первичного пучка. В разделе 2.2 представлены основние характеристики фрагмент-сеператора RIPS - главного инструмента для получения вторичных пучков радиоактивных ядер. Детектирующей системе, используемой в данном

Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

Международное Совещание по физике Ядра (39-ое Совещание по Ядерной Спектроскопии и Структуре Атомного Ядра), Ташкент, Апрель 18-21, 1989.

Inernational Conference on Exotic Nuclei, Foros, Crimea, 1-5 Octtober 1991. Meeting of Physical Society of Japan, Shizuoka, Japan, September 1994.

International Conference on Exotic Nuclei and Atomic Masses (ENAM-95), Aries, France, June 19-23, 1995,

International Workshop on Physics of Unstable Nuclear Beams, August 28-31, 1996, Serra Negra, Sao Paolo, Brazil

VI International School - Seminar on Heavy Ion Physics (HIPH-97), September 22 -27, 1997, Dubna, Russia

В заключение автор считает своим приятным долгом сердечно поблагодорить всех тех коллег без которых представленные здесь исследования были бы просто невозможны. Во-первых, автор искренне благодарен моим научным руководителям Борису Григорьевичу Новацкому и Алексею Александровичу Коршенинникову сыгравших определяющую роль в представленных здесь экспериментах. Организацией сотрудничества и непосредственным участием в работе неоценимую помошь оказали руководители соответствующих подразделений РНЦ "Курчатовский Институт" и RIKEN А. А. Оглоблин и I. Tanihata. Огромную благодарность автор выражает непосредственным соавторам представленных здесь исследований: Д. В. Александрову, Д. Н. Степанову, Ю. А. Глухову, Е. А. Кузмину, Т. Kobayashi, К. Yoshida, А. Ozawa, Н. Kumagai, М. Fujimaki, В. Бурьяну, В. Кроге, Я. Новаку, О. В. Бочкареву, С. А. Гончарову, В. Приборе, S. Fukuda, S. Ito, S. Momota. Особо хотелось бы поблагодарить В. Н. Унежева и весь коллектив эксплуатации циклотрона Курчатовского Института, а также группу операторов циклотрона RRC (RIKEN). Автор также очень признателен С. Б. Сакуте, М. В. Жукову, В. 3. Гольдбергу, М. С.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение ядер, удаленных от линии стабильности значительно расширяет и дополняет наши знания о физике микромира. Экспериментальные исследования экзотических нейтронноизбыточных и чисто нейтронных систем дают качественно новую информацию о структуре ядерной материи. В последние годы значительный прогресс в этой области связан с появлением достаточно интенсивных пучков радиоактивных ядер, позволяющих проводить не только инклюзивные эксперименты, но и корреляционные измерения.

Целью данной работы было экспериментальное исследование легких нейтронноизбыточных и чисто нейтронных ядер. Получены следующие основные результаты:

1. Проведены два эксперимента по исследованию слабосвязанного ядра "1л с целью изучения его структуры и спектра возбужденных состояний. Отметим, что, во-первых, данные эксперименты стали первыми корреляционными измерениями в методе недостающей массы на пучках радиоактивных ядер, и, во-вторых, впервые использовались бинарные вторичные пучки, что позволило проводить два независимых исследования одновременно.

В первых измерениях в спектрах возбуждения ' '1л* обнаружены следующие состояния: Е = 1.25 ± 0.15, 3.0 ± 0.2, 4.9 ± 0.25, 6.4 ± 0.25 и

11.3 ± 0.35 МэВ. Сравнение с возбужденными состояниями 9Ы дает основание полагать, что уровень при 1.25 МэВ соответствует возбуждению нейтронов гало. Остальные уровни "У, скорее всего, связаны с возбуждением кора 9Ы.

Одновременно были получены угловые распределения для упругих столкновений uLi + р при 75А МэВ и 8Не + р при 66А МэВ. Данные распределения проанализированы в эйкональном подходе с плотностями, полученными кластерно-орбитальной оболочечной модели COSMА. Показано, что расчет для nLi удовлетворительно описывает измеренные распределения, но не дает заметных отличий для разных наборов валентных нейтронов в "чистых" 1 s, 3 р, 1 d и 2s - состояниях. Соответствующий расчет для рассеяния 8Не + р показал также хорошее согласие с экспериментом.

2. Во втором эксперименте с пучком "Li (одновременнно изучались и |4Ве + р столкновения) проведено изучение неупругого рассеяния р + "Li при энергии падающих ядер nLi 68А МэВ с помощью корреляционных измерений. Особое внимание было уделено получению углового распределения для ранее найденного уровня при Е ~ 1.3 МэВ в uLi. Полученные данные показали, что это состояние имеет дипольную моду возбуждения. Из анализа следует, что данному состоянию можно приписать квантовые числа в системе n + n + 9Li, равные J* = 0" или Г (опуская спин-четность ядра 9Li). Наблюдаемое L = 1 возбуждение uLi дало также информацию о структуре основного состояния "Li. Показано, что основное состояние nLi не может иметь структуру с валентными нейтронами в чистом S-состоянии, а должно содержать значительную примесь Р1/2-состояния.

Альтернативная интерпретация возникновения пика 1.3 МэВ в nLi с помощью "shakeoff' - процесса представляется неправильной. Об этом свидельствует симметричная форма данного пика и независимость энергии возбуждения этого состояния от угла регистрируемых протонов.

3. Важный результат получен при исследовании резонанса 4Н. На вторичном пучке ядер 6Не на циклотроне Курчатовского Института с использованием магнитного сепаратора МАСЭ измерена реакция 0(6Не,а)4Н при энергии Е(6Не) = 20.8 МэВ. Измерения показали, что основное состояние ядра 4Н нестабильно относительно распада 4Н I + п на 2.0 ± 0.3 МэВ. Данный результат подтвержден в исследованиях реакции 61л(61л,8В) при двух значениях энергий ионов 61л - 85 и 93 МэВ, где было получено близкое значение энергии распада - 2.3 ± 0.3 МэВ. Определено новое значение дефекта массы ядра 4Н, равное 25.3 ± 0.3 МэВ. В мягкой части спектра а-частиц из реакции 0(6Не,а)4Н обнаружен резонанс, который интерпретирован как наблюдение возбужденного состояния системы 4Н с энергией распада 5.2 ± 0.5 МэВ и шириной Г = 1.2 ± 0.4 МэВ. Высказано предположение, что данное состояние имеет конфигурацию (с1 + 2п) с квантовыми характеристиками 1+.

4. Проведено исследование чисто нейтронных систем Зп и 4п. В спектрах ядер из реакций Т(71л,7Ве)Зп и 71л(71л,иС)Зп при0лс. = 10° не обнаружено каких-либо особенностей, которые могли бы рассматриваться как проявление резонансного состояния в системе трех нейтронов. Аналогичный результат получен для реакции 71л(71л,пС)Зп при ел.с. = 2° на магнитном сепараторе МАСЭ. В целом можно сделать вывод об отсутствии в ядерной системе из трех нейтронов резонансных состояний с шириной Г < 3 МэВ в области энергий возбуждения до 10 МэВ. Проведенные нами поиски резонанса в системе 4-х нейтронов также не дали положительного результата. Спектры ядер 10С из реакции 71л(71л,юС)4п, измеренные при 10° и 2° в лабораторной системе хорошо воспроизводятся в предположении о невзаимодействующих частицах в выходном канале реакции. Полученная верхняя оценка сечения образования связанного 4п, равная 2 нб/ср (в с.ц.м.), еще раз подтвердила вывод об отсутствии ядерностабильного четырехнейтрона.

5. Предложен "новый источник" для поиска ядерностабильных мультинейтронов - спонтанное деление тяжелых ядер. Проведен поиск нейтронных ядер в тройном делении 252Cf двумя различными методами - стандартным методом активационного анализа с использованием различных активаторов и путем регистрации хп в реакциях одно и двухнейтронной передачи на изотопах водорода. Последний метод предложен впервые и ранее никогда не применялся в подобных исследованиях. Поиск в обоих методиках дал отрицательный результат. Получена верхняя оценка выхода нейтронных ядер на один акт деления 252Cf - Y < 1О"8.

На защиту выносятся приведенные выше результаты. Они были опубликованы в следующих основных работах:

1. A. A. Korsheninnikov, Е. Yu. Nikolskii, Т. Kobayashi, A. Ozawa, S. Fukuda, E. A. Kuzmin, S. Momota, B. G. Novatskii, A. A. Ogloblin, V. Pribora, I. Tanihata, K. Yoshida. "Spectroscopy of the Halo Nucleus 11 Li by an Experimental Study of 1 ILi + p Collisions", Physical Review C53, R537-R540 (1996).

2. A.A.Korsheninnikov, E.A.Kuzmin, E.Yu.Nikolskii, O.V.Bochkarev, S.Fukuda, S.A.Goncharov, S.Ito, T.Kobayashi, S.Momota, B.G.Novatskii, A.A.Ogloblin, A.Ozawa, V.Pribora, I.Tanihata, K.Yoshida. "L=l Excitation in the Halo Nucleus 1 ILi", Physical Review Letters 78, p. 2317-2320 (1997).

3. Д. В. Александров, E. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, Д. H. Степанов, В. Бурьян, В, Крога, Я. Новак. "Новые измерения массы изотопа 4Н в реакциях с радиоактивным пучком 6Не и ионами 6Li", Письма в ЖЭТФ 62, с. 18 - 22 (1995).

4. Д. В. Александров, Ю. А. Глухов, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, А. А. Оглоблин, Д. Н. Степанов. "Экспериментальное изучение системы из трех нейтронов в реакциях с ионами лития", Ядерная Физика 45, с. 1217 - 1221 (1987).

5. Д. В. Александров, Ю. А. Глухов, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, А. А. Оглоблин, Д. Н. Степанов. "Поиски тетранейтрона в реакции 7Li + 7Li", Ядерная Физика 47, с. 3 -6 (1988).

6. Д. В. Александров, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, Д. Н. Степанов. "Активационный метод в экспериментах по поиску нейтронных ядер", Ядерная Физика 52, с. 933 - 941 (1990).

7. D. V. Aleksandrov, Е. Yu. Nikolskii, В. G. Novatskii, D.N. Stepanov. "Search for neutron nuclei", Proceedings of the Int. Conf. on Exotic Nuclei, Foros, Crimea, 1-5 Oct., 1991, p. 133-148, World Scientific, Singapore.

1. B. А. Агеев, И. Н. Вишневский, В. И. Гаврелюк, В. В. Желтоножский, Т. Н. Лашко, Н. В. Стрильчук. Препринт ИЯИ-85-4. Киев: ИЯИ АН УССР, 1985.

2. Д. В. Александров, Ю. А. Глухов, А. С. Демьянова, В. И. Духанов, И. Б. Мазуров, Б. Г. Новацкий, А. А. Оглоблин,

3. C. Б. Сакута, Д. Н. Степанов, ЯФ 36 (1982) 1351.

4. Д. В. Александров, Ю.А. Глухов, А. С. Демьянова, Д. И. Духанов, И. Б. Мазуров, Б. Г. Новацкий, А. А. Оглоблин, С. Б. Сакута, Д. Н. Степанов, ЯФ 37 (1983) 474.

5. Д. В. Александров, Е.А. Ганза, Ю.А. Глухов, Б. Г. Новацкий, А. А. Оглоблин, Д. Н. Степанов, ЯФ 39 (1984) 513.

6. Д. В. Александров, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, Тез. Докл. 35-ого совещ. По ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Л. : Наука, 1985, с. 359.

7. Д. В. Александров, Ю. А. Глухов, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, А. А. Оглоблин, Д. Н. Степанов, ЯФ 45 (1987) 1217.

8. Д. В. Александров, Ю. А. Глухов, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, А. А. Оглоблин, Д. Н. Степанов, ЯФ 47 (1988) 3.

9. Д. В. Александров, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, Д. Н. Степанов, Тез. Докл. 39-ого совещ. По ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. JL : Наука, 1989, с. 377.

10. Д. В. Александров, Е. Ю. Никольский, Б. Г. Новацкий, Д. Н. Степанов, Письма в ЖЭТФ 59 (1994) 301.

11. А. I. Amelin, M. G. Gornov, Yu. В. Gurov, A. L. Ilin, P. V, Morokhov, V. A. Pechkurov, V. I. Savelev, F. M. Sergeev, S. A. Smirnov, B. A. Chernyshev, R. R. Shafigullin, A. V. Shishkov, Sov. J. Nucl. Phys. 52 (1990) 782.

12. А. И. Базь, В. И. Гольданский, В. 3. Гольдберг, Я. Б. Зельдович, Легкие и промежуточные ядра вблизи границ нуклонной стабильности. М.: Наука, 1972, с. 9.

13. A. V. Belozerov, С. Borcea, Z. Dlouhy, .М. Kalinin, R. Kalpakchieva, Nguyen Hoai Chau, Yu. Ts. Oganessian, Yu. E. Penionzhkevich, Nucl. Phys. A460 (1986) 352.

14. C. Bertulani and G. Baur, Nucl. Phys. A480 (1988) 615.

15. G. F. Bertsch, B. A. Brown, H. Sagawa, Phys. Rev. C39 (1989) 1154.

16. C. A. Bertulani, L. F. Canto, M. S. Hussein, Phys. Rep. 226 (1993) 281.

17. Г. Бете, Теория ядерной материи, М.: Мир, 1974.

18. J. A. Bistirlich, К. М . Crowe, A. S. L. Parsons, P. Skarek, P. Truoel, С. Werntz, Phys. Rev. Lett. 25 (1970) 950.

19. M. Blann, US ERDA report N COO-3494-29, 1976.

20. B. Blank, J.-J. Gaimard, H. Geissel, K.-H. Schmidt, H. Stelzer, K. Summerer, D. Bazin, R. Del Moral, J. P. Dufour, A. Fleury, F. Hubert, H.-G. Clerc, M. Steiner, Z. Phys. A340 (1991) 41.

21. F. W. N. De Boer, J. J. Van Ruyven, A. W. B. Kaishoven, H. Verheul, R. Vis, E. Sugarbaker, C. Fields, С. S. Zaidins, Nucl. Phys. A350 (1980) 149.

22. H. G. Bohlen, R. Kalpakchieva, D. V. Aleksandrov, B. Gebauer, S. M. Grimes, Т. Kirchner, M. von Lucke-Petsch, T. N. Massey, I. Mukha, W. von Oertzen, A. A. Ogloblin, A. N. Ostrowski, C. Seyfert, T. Stolla, M. Wilpert, T. Wilpert, Z. Phys. A351 (1995) 7.

23. В. В. Буранов, H. И. Веников, А. M. Добычин, С. Б. Сакута, Ю. Ф. Тарасов, В. Н. Унежев, Препринт ИАЭ-4816/2, Москва, (1989).

24. A. G. W. Cameron, Canad. J. Phys. 35 (1957) 1021.

25. Cerny, R. B. Weisenmiller, N. A. Jelley, К. H. Wilcox, G. J .Wozniak, Phys. Lett. 53B (1974) 247.

26. V. Chulkov, C. A. Bertulani, A. A. Korsheninnikov, Nucl. Phys. A587 (1995)291.

27. E. Clementel and C. Villi, Nuovo Cimento II (1955) 176. S. W. Cosper, J. Cerny, R. C. Gatti, Phys. Rev. 154 (1967) 1193. K. Debertin and E. Rossle, Nucl. Phys. A107 (1968) 693.

28. С. Detraz, Phys. Lett. 66В (1977) 333.

29. S. Fiarman and W. E. Meyerhof, Nucl. Phys. A206 (1973) 1.

30. S. Fiarman, S. S. Hanna, Nucl. Phys. A251 (1975) 4.

31. Ю. А. Глухов, А. С. Демьянова, А. А. Оглоблин, С. Б. Сакута, В. В. Сухаревский, ЯФ 40 (1984) 62.

32. М. G. Gornov, Yu. В. Gurov, P. V. Morokhov, V. A. Pechkurov, V. I. Savelyev, F. M. Sergeev, B. A. Chernyshev, R. R. Shafigullin, A. V. Shishkov, V. P. Koptev, К. O. Oganesyan, B. P. Osipenko, Nucl. Phys. A531 (1991)613.

33. M. G. Gornov, Yu. Gurov, S. Lapushkin, P. Morokhov, V. Pechkurov, T. K. Pedlar, Kamal. K. Seth, J. Wise, D. Zhao, Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 4325.

34. P. G. Hansen and B. Jonson, Europhys. Lett. 4 (1987) 409. S. Hirenzaki, H. Toki, I. Tanihata, Nucl. Phys. A552 (1993) 57. K. Ikeda, INS Report JHP-7 (1988).

35. M. Ivanovich, P. G. Joung, G. G. Ohlsen, Nucl. Phys. A110(1968) 441.

36. N. Jarmie, R. H. Stokes, G. G. Ohlsen, R. W. Newsome, Jr., Phys. Rev. 161 (1967) 1050.

37. R. Kanungo and C. Samanta, Nucí. Phys. A617 (1997) 265.

38. S. Karataglidis, P. G. Hansen, B. A. Brown, K. Amos, P. J. Dortmans, Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 1447.

39. T. Kobayashi, S. Shimoura, I. Tanihata, K. Katori, K. Matsuta, T. Minamisono, K. Sugimoto, W. Muller, D. L. Olson, T. J. M. Symons, H. Wieman, Phys. Lett. B232 (1989) 51.

40. T. Kobayashi, Nucl. Phys. A538 (1992) 343c.

41. A. A. Korsheninnikov, E. Yu. Nikolskii, T. Kobayashi, D. V. Aleksandrov, M. Fujimaki, H. Kumagai, A. A. Ogloblin, A. Ozawa, I. Tanihata, Y. Watanabe, K. Yoshida, Phys. Lett. B343 (1995) 53.

42. P. D. Kunz, computer code CHUCK, unpublished.

43. R. A. Kryger, A. Azhari, A. Galonsky, J. H. Kelley, R. Pfaff, E. Ramakrishnan, D. Sackett, B. M. Sherrill, M. Thoennessen, J. A. Winger, S. Yokoyama, Phys. Rev. C47 (1993) R2439.

44. W. O. Lock and D. F. Measday, Intermidiate Energy Nuclear Physics, Menthuen, London, 1970.

45. T. C. Mayer, Nucl. Phys. A324 (1979) 335.

46. W. Mittig, J. M. Chouvel, Zhan Wen Long, L. Bianchi, A. Cunsolo, B. Fernandez, A. Foti, J. Gastebois, A. Gillibert, C. Gregoire, Y. Schutz, C. Stephan, Phys. Rev. Lett 59 (1987) 1889.

47. C.-B. Moon, M. Fujimaki, S. Hirenzaki, N. Inabe, K. Katori, J. C. Kim, Y. K. Kim, T. Kobayashi, T .Kubo, H. Kumagai, S. Shimoura, T. Suzuki, I. Tanihata, Phys. Lett. B297 (1992) 39.

48. W. Morrou and W. Haeberli, Nucl. Phys. A126 (1969) 225.

49. G. G. Ohlsen, R. H. Stokes, P. G. Joung, Phys. Rev. 17 (1968) 1163.

50. A. N. Ostrovski, H. G. Bohlen, A. S. Demyanova, B. Gebauer, R. Kalpakchieva, Ch. Langner, H. Lenske, M. von Lucke-Petsch, W. von Oertzen, A. A. Ogloblin, Yu. E. Penionzhkevich, M. Wilpert, Th. Wilpert, Z. Phys. A343 (1992) 489.

51. C. M. Perey and F. G. Perey, Nucl. Data Tables 10 (1972) 539.

52. T. W. Phillips, B. L. Berman, J. D. Seagrave, Phys. Rev. C22 (1980) 384.

53. Ray, Phys. Rev. C20 (1979) 1857.

54. K. Riisager, Rev. Mod. Phys. 66 (1994) 1105.

55. K. K. Seth, S. Iversen et al. Proc. Inern. Conf. Nucl. Phys. Berkely, California, (1980) V LBL-11118, p. 164.

56. R. H. Stokes and P. G. Juong, Phys. Rev. C3 (1971) 984.

57. N. B. Shul'gina, B. V. Danilin, L. V. Grigorenko, M. V. Zhukov, J. M. Bang, Phys. Rev. C62 (2000) 014312-1.

58. Tanihata, H. Hamagaki, O. Hasimoto, S. Nagamiya, Y. Shida, N. Yoshikawa, O. Yamakawa, K. Sugimoto, T. Kobayashi, D. E. Greiner, N. Takahashi, Y. Nojiri, Phys. Lett. B160 (1985) 380.

59. Tanihata, H. Hamagaki, O. Hashimoto, Y. Shida, N. Yoshikawa, K. Sugimoto, O. Yamakawa, T. Kobayashi, N. Takahashi, Phys. Rev. Lett. 55 (1985)2676.

60. Tanihata, T. Kobayashi, O. Yamakawa, T. Shimoura, K. Ekuni, K. Sugimoto, N. Takahashi, T. Shimoda, H. Sato, Phys. Lett. B206 (1988) 592.

61. Tanihata, Prog. Part. Nucl. Phys. 35 (1995) 505.

62. S. T. Thornton, J. K. Bair, C. M. Jones, H. B. Willard, Phys. Rev. Lett. 17 (1966)701.

63. J. Thompson and M. V. Zhukov, Phys. Rev. C49 (1994) 1904.

64. D. R. Tilley, H. R. Weller, H. H.Hasan, Nucl. Phys. A474 (1987) 1. T. A. Tombrello, Phys. Rev. 143 (1966) 772.

65. A. Turkevich, J. R. Cadieux, J. Warren, T. Economou, J. La Rosa, H. R. Heydegger, Phys. Rev. Lett. 38 (1977) 1129.

66. A. Turkevich, J. R. Cadieux, J. Warren, T. Economou, J. La Rosa, Phys. Lett. 72B (1977) 163.

67. A. Ungar, R. D. McKeown, D. F. Geesaman, R. J. Holt, J. R. Specht, K.

68. E. Stephenson, B. Zeidman, C. L. Morris, Phys. Lett. 144B (1984) 333.

69. R. B. Weisenmiller, N. A. Jelley, D. Ashery, K. H. Wilcox, G. J .Wozniak, M. S. Zisman, J. Cerny, Nucl. Phys. A280 (1977) 217.

70. M. Zinser, F. Humbert, T. Nilsson, W. Schwab, H. Simon, T. Aumann, M. J. G. Borge, L. V. Chulkov, J. Cub, Th. W. Elze, H. Emling, H. Geissei, D. Guillemaud-Mueller, P. G. Hansen, R. Holzmann, H. Irnich, B. Jonson, J.

71. M. V. Zhukov, B. V. Danilin, A. A. Korsheninnikov, Nucl. Phys, A538 (1992) 375c.

72. M. V. Zhukov, B. V. Danilin, D. V. Fedorov, J. M. Bang, I. J. Thompson, J. S. Vaagen, Phys. Rep. 231 (1993) 151.