Гигантский Гамов-Теллеровский резонанс и нейтронно-избыточные ядра тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

4842041

ЛЮТОСТАНСКИЙ Юрий Степанович

ГИГАНТСКИЙ ГАМОВ-ТЕЛЛЕРОВСКИЙ РЕЗОНАНС И НЕЙТРОННО-ИЗБЫТОЧНЫЕ

ЯДРА

Специальность: 01.04.16 - Физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва — 2011

7 ДПР 2011

4842041

Работа выполнена в НИЦ «Курчатовский институт»

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН Абов Юрий Георгиевич

Доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН

Герштейн Семен Соломонович

Доктор физико-математических наук Сакута Станислав Борисович

Ведущая организация:

Институт ядерных исследований РАН, г. Москва.

Защита состоится «2?.» 2011 г. в мин. на

заседании диссертационного Совета Д 520.009.03 при Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» по адресу: 123182 Москва, пл. Курчатова I, НИЦ «Курчатовский институт» .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЦ «Курчатовский институт»

Автореферат разослан «_»_2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета, f ^ О

доктор физико-математических наук Ъ»ро «кЛ. д л Барабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Открытие аналогового резонанса в (р.и)-реакции в 1961 году положило начало экспериментальному и теоретическому исследованию зарядово-обменных возбуждений в атомных ядрах. Появилась возможность объяснять подавленность разрешенных р-переходов (Фермиевских и Гамов-Теллеровских) влиянием соответствующих резонансов. Гигантский Гамов-Теллеровский резонанс (ГТР) был экспериментально обнаружен в 1975 году в США. За несколько лет до этого проводились теоретические исследования зарядово-обменных возбуждений и первые расчеты энергий и матричных элементов ГТР [1-3] представлены в настоящей работе. Эти расчеты были выполнены в рамках теории конечных ферми-систем А.Б. Мигдала и, как показано в работе, довольно хорошо описывают, полученные позже экспериментальные данные. Зарядово-обменные возбуждения определяют распадные характеристики ядер, такие как период полураспада Ту2, вероятности эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления, и связаны с фундаментальными свойствами ядерного взаимодействия. Интерес к исследованию зарядово-обменных возбуждений и гигантских резонансов не ослабевает, регулярно проводятся международные конференции и симпозиумы.

Развитие теории ГТР и коллективных зарядово-обменных состояний позволило на микроскопическом уровне рассчитывать распадные характеристики и прогнозировать свойства ядер с неизвестными схемами распада. Наиболее интересным в начале 1980-х годов было исследование экзотических ядер и, в первую очередь -ядер, удаленных от области бета-стабильности. Исследование ядер, удаленных от области стабильности, является в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений ядерной физики. Для того чтобы иметь возможность изучать ядра вблизи границ нуклонной стабильности, сами граничные ядра, новые тяжелые и сверхтяжелые изотопы, строятся новые мощные экспериментальные установки и модернизируются старые

В отдельное направление фактически выделилось исследование ядер с большим избытком нейтронов, которое раньше имело прикладной характер, связанный с изучением короткоживущих ядер-продуктов деления. Особенную значимость этому направлению придала связь с ядерной астрофизикой, с теорией нуклеосинтеза,

интенсивное развитие которой дали разработки математической модели, описывающей образование нуклидов в интенсивных нейтронных потоках при астрофизических условиях [15-18]. В настоящее время проблемы астрофизики и физики экзотических ядер тесно переплетены. Для прогнозирования свойств этих ядер необходим расчет коллективных зарядово-обменных состояний и, в первую очередь, гигантского Гамов-Теллеровского резонанса.

Таким образом, в теоретическом плане естественно объединяются два направления связанные, во-первых, с изучением коллективных зарядово-обменных состояний ядер и, во-вторых, с прогнозированием свойств нейтронно-избыточных ядер. Исследования в рамках такого объединенного направления актуальны и имеют перспективу, связанную с решением проблем ядерной физики (получение, прогнозирование и изучение свойств новых нейтронно-избыточных ядер) и астрофизики (нуклеосинтез, космохронология и др.), а также, для решения прикладных задач реакторной, нейтринной физики и геофизики.

Цель работы состоит в развитии физики ядерных резонансов и других, коллективных зарядово-обменных состояний, процессов их возбуждения и распада, влияния на свойства ядер с большим избытком нейтронов; в изучении структуры и распадов нейтронно-избыточных ядер, их поведения вблизи границы нейтронной стабильности и в процессах быстрого нуклеосинтеза, протекающего при взрывах звезд и в ядерных взрывах, в изучении и моделировании этих процессов; в моделировании процессов захвата нейтрино в веществе детекторов; а также, процессов протекающих в ядерно-физических установках реакторного типа и сопровождающихся испусканием жесткого анти-нейтринного излучения, с целью разработки нового поколения мощных Уе -источников для нейтринных экспериментов и диагностики внутриреакторных процессов.

Научная новизна работы. А. Впервые, задолго до эксперимента представлено наиболее полное описание гигантского Гамов-Теллеровского резонанса и других коллективных зарядово-обменных возбуждений ядер. 1. Применение теории конечных ферми-систем А.Б. Мигдала позволило впервые рассчитать энергии, матричные элементы и структуру коллективных зарядово-обменных состояний большой группы сферических ядер и предсказать основные параметры

гигантского Гамов-Теллеровского резонанса и лежащих ниже коллективных изобарических состояний этих ядер.

2. В рамках микроскопического расчета предсказано вырождение Гамов-Теллеровского и аналогового резонансов с ростом нейтронного избытка, что впоследствии с хорошей точностью подтвердилось в экспериментах.

3. Предсказано восстановление вигнеровской Би(4) суперсимметрии в нейтронно-избыточных ядрах. Проведен анализ возможности описания масс ядер в рамках Би(4) суперсимметрии и показано хорошее согласие полученных теоретических значений массовых отношений с экспериментальными по большому количеству ядер.

Б. Исследованы процессы, сопровождающие бета-распад нейтронно-избыточных ядер, разработаны методы описания этих проиессов.

1. Впервые в рамках микроскопического подхода проведены расчеты периодов полураспада большой группы ядер и дано объяснение увеличения подавленности разрешенных (3-переходов с ростом нейтронного избытка.

2. Для ядер с большим избытком нейтронов проведены расчеты вероятностей эмиссии запаздывающих нейтронов и впервые для эффектов эмиссии 2-х и трех запаздывающих нейтронов. Разработаны методы описания мультинейтронной [^-задержанной эмиссии с учетом образования динейтронной пары.

3. Дано описание эффекта запаздывающего деления в тяжелых нейтронно-избыточных ядрах и показано, что этот эффект проявляется при формировании концентрации нуклидов образующихся при ядерных взрывах.

В. Исследована структура нейтронно-избыточных ядер, их поведение вблизи границы нейтронной стабильности.

1. Предсказана возможность появления новой области деформации нейтронно-избыточных ядер, что впоследствии подтвердилось в экспериментах.

2. Предсказано, что изотопы натрия 39Ыа (N=28), кислорода 2ьО и "дважды магический" 280 (2=8, N=20) являются нестабильными и должны находиться за границей нейтронной стабильности, а последними нуклонно стабильными являются изотопы 240 (N=16) и 37Ыа (N=26), что подтвердилось экспериментами.

3. Дано описание эффекта разрушения оболочечной структуры для нейтронно-избыточных ядер с числами нейтронов N=20 и N=28

расположенными вблизи границы нейтронной стабильности, получено, что новыми магическими числами могут быть Лг= 16 иЯ= 26. Г. Моделирование процесса нуклеосинтеза.

1. Разработана и реализована математическая модель нуклеосинтеза с учетом ядерных превращений нейтронно-избыточных ядер, проведены расчеты скорости протекания процесса быстрого нуклеосинтеза и формирования нуклидного состава среднетяжелых ядер.

2. Дано описание влияния эффекта эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления на формирование распространенности ядер в процессе быстрого нуклеосинтеза. Впервые численно показано, что (Р,и)-процесс сглаживает первоначальную кривую распространенности нуклидов и приближает ее к экспериментальной.

3. В модели быстрого нуклеосинтеза методом уран-ториевых изотопных отношений проведены расчеты возраста вещества Галактики и впервые показана сильная зависимость этой рассчитываемой величины как от параметров используемой модели нуклеосинтеза и от прогнозируемых характеристик нейтронно-избыточных ядер, так и от рассматриваемого сценария формирования Галактики.

Д. Моделирование физических процессов в ядерно-физических установках связанных с проектами в нейтринной физике.

1. Проведены расчеты процесса захвата нейтрино в веществе детекторов солнечных нейтрино. Показано существенное влияние гигантского Гамов-Теллеровского резонанса на сечения о(у, А).

2. Представлен анализ возможности использования детекторов солнечных нейтрино в реакторных экспериментах.

3. Развита концепция интенсивного источника нейтрино на базе мощных ядерно-физических установок. Проведено математическое моделирование физических процессов, протекающих в литиевом конверторе реакторных нейтронов в антинейтрино, оптимизированы режимы работы установки, её геометрические параметры и химический состав вещества конвертора.

Практическая ценность работы. Работа имеет значение для теории ядра: для развития представлений о ядерных резонансах, процессах их возбуждения и распада; для описания структуры ядер с большим избытком нейтронов и процессов их распада, в том числе с испусканием запаздывающих нейтронов и делением.

Результаты работы использовались в прикладных расчетах: 1) для изучения характеристик облученного ядерного топлива, таких как

интегральные радиационные характеристики, характеристики запаздывающих нейтронов (потоки и спектры ЗН), спектры антинейтрино, накопление нуклидов в реакторах различных типов; 2) при моделировании нейтронных полей в различных ядерно-физических установках и в геофизических исследованиях; 3) для решения задач безопасности ядерных реакторов и моделировании аварийных ситуаций; 4) при моделировании процессов образования трансурановых элементов в условиях интенсивных нейтронных потоков термоядерных взрывов. Эти расчеты вошли в более чем 30 отчетов РНЦ «Курчатовский институт», ОИЯИ и МИФИ.

Результаты работы использовались так же при подготовке и интерпретации экспериментов по получению нейтронно-избыточных ядер в ОИЯИ (Дубна) и GANIL (Франция); экспериментов по изучению мультинейтронной бета задержанной эмиссии во французском ядерном центре в Страсбурге; экспериментов по обнаружению изотопа 240 и проверке нуклонной нестабильности 2бО и 280 проводимых совместно GAÑIL (Франция) и ЛЯР ОИЯИ (Дубна); экспериментов по измерению силовой функции 137Хе и других изотопов в США.

На базе полученных результатов изданы учебные пособия и прочитаны лекции в МИФИ, ОИЯИ, ЛИЯФ, в институте им. Макса Планка (Гейдельберг, Германия) и университете Лодзи (Польша).

Положения и результаты, выноснмые на защиту. 1. Микроскопическое описание коллективных зарядово-обменных состояний сферических ядер.

1.1. Описание Гамов-Теллеровского резонанса, расчеты его положения, матричных элементов и структуры для большой группы сферических ядер.

1.2. Предсказание и расчеты энергетического вырождения Гамов-Теллеровского и аналогового резонансов.

1.3. Предсказание восстановления вигнеровской SU(4) суперсимметрии в нейтронно-избыточных ядрах, доказательство возможности описания в рамках SU(4) симметрии масс ядер с хорошей точностью.

1.4. Описание коллективных изобарических состояний - сателлитов ГТР для нейтронно-избыточных ядер.

2. Разработка методов описания процессов, сопровождающих бета-распад нейтронно-избыточных ядер.

2.1. Расчеты периодов полураспада нейтронно-избыточных ядер, объяснение подавленности разрешенных р-переходов.

2.2. Расчеты вероятностей эмиссии запаздывающих нейтронов в нейтронно-избыточных ядрах.

2.3. Описание эффекта мультинейтронной бета задержанной эмиссии, расчеты вероятностей мультинейтронной эмиссии с учетом образования динейтронной пары.

2.4. Описание эффекта запаздывающего деления в тяжелых нейтронно-избыточных ядрах и расчеты проявления этого эффекта в экспериментальных термоядерных взрывах.

3. Описание свойств ядер, расположенных вблизи границы нейтронной стабильности.

3.1. Описание новой области деформации нейтронно-избыточных ядер.

3.2. Расчет свойств ядер от кислорода до магния расположенных вблизи границы нейтронной стабильности. Предсказание нестабильности изотопов натрия 39№, кислорода 2бО и 280, и нуклонной стабильности изотопа 37Ка.

3.3. Описание эффекта разрушения оболочечной структуры для нейтронно-избыточных ядер с числами нейтронов Ы - 20 итУ= 28.

4. Моделирование нуклеосинтеза в процессах нейтронного захвата.

4.1. Разработка и реализация математической модели нуклеосинтеза. Расчеты скорости протекания процесса нуклеосинтеза и формирования нуклидного состава среднетяжелых ядер.

4.2. Описание влияния эффекта эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления на формирование распространенности ядер в процессе нуклеосинтеза.

4.3. Расчеты возраста вещества Галактики - Г0 методом уран-ториевых изотопных отношений в модели быстрого нуклеосинтеза и изучение зависимости рассчитываемой величины Та от параметров модели, а так же от сценария формирования Галактики.

5. Моделирование физических процессов в ядерно-физических установках связанных с проектами в нейтринной физике.

5.1. Описание процесса захвата нейтрино в галлий-германиевом и йод-ксеноновом детекторах и анализ возможности использования детекторов солнечных нейтрино в реакторных экспериментах.

5.2. Концепция интенсивного источника антинейтрино на базе мощных ядерно-физических установок.

5.3. Моделирование процессов в литиевом конверторе реакторных нейтронов в антинейтрино.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях и сессиях Отделения ядерной физики РАН, на ежегодных Совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (1970-2010), на Международных конференциях: по нейтронной физике (Киев 1980-1988), по избранным вопросам структуры ядра (Дубна 1989), "Nuclei far from Stability"(Rosseau Lake, Canada 1987; Kues, Germany 1992), "Слабые взаимодействия при низких энергиях"(Дубна 1990), "Nucleus-Nucleus Collisions"(MocKBa 2003), "Неускорительная новая физика"(Дубна, 2003, 2005); на XVI Генеральной Ассамблее "Annals Geophysics"(Weisbaden, Germany, 1991), на Международных симпозиумах: "Nuclear Exited States"(Лодзь, Польша, 1993) и "Вопросы разработки методик планирования и подготовки мероприятий по защите населения в случае запроектной аварии на АЭС"(Варна, Болгария, 1990) и др., а также на научных семинарах и конференциях в РНЦ "Курчатовский Институт", ИЯИ, ФИАН, ОИЯИ, ИТЭФ, МИФИ, Института им. Макса Планка (Гей-дельберг, Германия), GANIL (Франция) и др. научных центров.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 обзора и более 90 печатных работ. На основе материалов диссертации издано 4 сборника лекций и опубликовано 6 учебно-методических работ общим объемом более 15 п/л. Список основных работ приведён в конце автореферата.

Личньш вклад. Автором разработано и активно развивается новое направление в ядерной физике, связанное с изучением коллективных зарядово-обменных состояний ядер и прогнозированием свойств нейтронно-избыточных ядер. Дано микроскопическое описание Гамов-Теллеровского резонанса и других коллективных изобарических состояний, расчеты их энергий, матричных элементов и структуры для большой группы сферических ядер. Проведены расчеты вырождения Гамов-Теллеровского и аналогового резонансов и предсказано восстановление вигнеровской SU(4) суперсимметрии в нейтронно-избыточных ядрах. Автор был инициатором и участником исследований новых процессов распада - мультинейтронной бета задержанной эмиссии и запаздывающего деления в нейтронно-избыточных ядрах. Им предложена и развита идея появления новой области деформации ядер с N=20-28, расположенных вблизи границы нейтронной стабильности и разрушения стандартной оболочечной структуры в этих ядрах. Проведены многочисленные расчеты свойств

нейтронно-избыточных ядер как вблизи границы нейтронной стабильности, так и за её пределами. По инициативе и при непосредственном участии автора проводились теоретические исследования структуры и вероятностей различных каналов распада нейтронно-избыточных ядер и их проявлений в астрофизических процессах и при формировании концентрации нуклидов образующихся при ядерных взрывах. Начаты и проделаны работы по расчету величины возраста вещества Галактики - TG в модели быстрого нуклеосинтеза и изучены зависимости TG от параметров модели, а так же от сценария формирования Галактики. Дано описание процесса захвата нейтрино в галлий-германиевом и йод-ксеноновом детекторах, рассчитаны соответствующие силовые функции и сечения. Проведен анализ возможности использования детекторов солнечных нейтрино в реакторных экспериментах. Развита концепция интенсивного источника нейтрино на базе мощных ядерно-физических установок. Автор был инициатором и участником большого числа работ, в которых развитые теоретические методы использовались для решения прикладных задач. В диссертацию включены материалы, полученные при непосредственном и активном участии автора на всех этапах работы. Автор лично ставил новые задачи, отраженные в диссертации, решение которых получено либо автором лично, либо в получении которых автор внёс определяющий вклад.

Автор искренне благодарен своим коллегам и соавторам. Особую благодарность автор приносит профессору Ю.В. Гапонову за большое внимание, плодотворные дискуссии, советы и всемерную поддержку.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, 6 глав, и Заключения. Общий объем работы составляет 177 страниц, включая 64 рисунка, 12 таблиц и списка цитируемой литературы 302 наименований, из них 95 с участием автора.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дано обоснование работы и ее актуальности. Кратко изложены методы и этапы исследования гигантского Гамов-Теллеровского резонанса и других, коллективных зарядово-обменных состояний ядер. Представлены задачи физики нейтронно-избыточных ядер и проблемы нуклеосинтеза. Сформулированы цели исследований, указаны выносимые на защиту результаты.

Глава I. Гамов-Теллеровский резонанс и нейтронно-избыточные ядра - этапы исследования.

Глава носит обзорный характер. Рассмотрено исследование за-рядово-обменных резонансных возбуждений ядер, история открытия Гамов-Теллеровского резонанса, первые экспериментальные и теоретические работы. Описан круг проблем, связанных с изучением ГТР и других коллективных изобарических состояний - сателлитов ГТР. Рассмотрено исследование ядер, удаленных от области бета-стабильности, обсуждаются экспериментальные методы изучения короткоживущих нейтронно-избыточных ядер, анализируется развитие теоретических представлений о структуре и распадах нейтронно-избыточных ядер. Рассматривается связь ГТР и проблем ядерной физики, астрофизики и прикладных задач.

Идея о возможном существовании зарядово-обменного спин-изоспинового резонанса впервые обсуждалась в работах японских физиков (К. Ikeda, et. al. Phys. Lett. 1963. V. 3. P. 271-272) в связи с попыткой объяснения подавленности гамов-теллеровских (ГТ) Р-переходов. Предполагалось, что между аналоговым резонансом (АР) и основным состоянием ядра-изобары существует состояние, проявляющееся в реакциях перезарядки и вбирающее основную силу ГТ (3-переходов. Позже это состояние было названо Гамов-Теллеровским резонансом (ГТР) по аналогии с аналоговым - Фермиевским резонансом. Однако это не был ГТР в современном его понимании и положение этого состояния предсказывалось неверно. Возможность существования ГТР, энергетически расположенного выше АР отрицалась в то время многими известными физиками, т. к. предполагалось, что уширение такого резонанса должно быть очень большим, и он наблюдаться не будет.

Первыми работами, в которых объяснялась структура ГТР и рассчитывались его энергии и матричные элементы для широкого круга сферических ядер были работы начала 1970-х годов, выполненные Ю.В. Гапоновым и автором в ИАЭ им. И.В. Курчатова [1-3]. В то же время в ОИЯИ (Дубна) выполнялись расчеты для деформированных ядер группой Н.И. Пятова и в Ленинграде группой Ю.В. Наумова велись экспериментальные исследования резонансных зарядово-обменных возбуждений ядер.

Экспериментальная ситуация с коллективными зарядово-обмен-ными возбуждениями, и прежде всего с ГТР, долгое время оставалась

неопределенной. В начале 1970-х группой А. Галонского в США были начаты интенсивные поиски ГТР при энергиях выше АР в прямой (р.и)-реакции на циклотроне Индианского университета с использованием протонов с энергией 50-200 МэВ, новой техники магнитного поворота пучка и времяпролетной методики регистрации нейтронов. В нашей стране первые наблюдения ГТР в ядерных реакциях были проведены в ИАЭ им. И.В. Курчатова под руководством A.A. Оглоблина в реакции перезарядки (6Li,6He) на ядрах Zr и С (Виноградов А.А и др. Письма в ЖЭТФ 1981. Т.ЗЗ. С.233). В экспериментах группы Гужовского в реакции также наблюдался ГТР (Гужовский Б.Я. и др. Письма в ЖЭТФ 1984. Т.40. С. 487-490).

В большом цикле экспериментальных работ 1979—80 гг. было окончательно доказано существование ГТР в области выше АР от легких до тяжелых

(208РЬ) ядер, подтвержден факт сближения энергий этих состояний с ростом величины нейтронного избытка N-Z и показано, что в 208РЬ ГТР и АР практически вырождены. Возможность такого вырождения предсказывалась ранее в 1973 г. Ю.В. Гапоновым и автором [2] в связи с проблемой восстановления вигнеровской SU(4) суперсиммерии в нейтронно-избыточных ядрах. Как показано представленными микроскопическими расчетами, такое вырождение усиливается с ростом N-Z [5-8]. Развитие микроскопических методов расчета зарядово-обменных возбуждений ядер позволило рассчитывать такие характеристики ядер как период полураспада - Тт , вероятности эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления и др. Разработанные теоретические методы стали применять для прогнозирования свойств нейтронно-избыточных ядер с неизвестными схемами распада. Появилась возможность теоретического изучения на микроскопическом уровне свойств ядер, удаленных от области бета-стабильности.

Специализированные установки для изучения ядер, удаленных от области стабильности заработали в 1960-70-х годах с развитием online методики и пучковых методов получения экзотических коротко-живущих ядер. Такие изоль-системы заработали как за рубежом, так и у нас в ОИЯИ (Дубна) и ЛИЯФ (Гатчина). Уже в 1966 году в Швеции (Lysekil) собралась первая международная конференция по удалённым ядрам с интересным названием: «Зачем и как должны мы изучать ядра удалённые от линии стабильности. (Why and How Should We Investigate Nuclei Far Off the Stability Line.)»

Параллельно с экспериментальными развивались и теоретические методы описания свойств короткоживущих ядер. В первую очередь старались прогнозировать массовые соотношения и структуру ядер. Создавались теоретические подходы к описанию, как лёгких, так и тяжёлых ядер. Для расчетов периодов полураспада и других распадных характеристик разрабатывались различные подходы к описанию силовой функции (5-распада. Таким образом, к началу 1980-х годов двумя методами - расчётным и методом on-line сепарации были получены сведения в основном о легких ядрах с большим избытком нейтронов в рамках исследований ядер, удаленных от области стабильности. Самостоятельный интерес к нейтронно-избыточным ядрам среднетяжелой области масс начал формироваться сначала в связи с прикладной проблемой короткоживущих ядер-продуктов деления. К этому периоду относятся и первые работы автора по прогнозированию свойств нейтронно-избыточных ядер [914]. В то время назрела необходимость проведения исследований структуры и распадов ядер с большим избытком нейтронов, вплоть до границы нейтронной стабильности, тем более что стала очевидной связь этих ядер с проблемой образования химических элементов в астрофизическом процессе нуклеосинтеза [15-24].

Дальнейшее развитие исследования удалённых ядер получили в конце 1980-х годов, когда в ведущих мировых центрах появились пучки радиоактивных ядер. Появилась возможность добраться до границы нейтронной стабильности не только для лёгких, но и для ядер тяжелее кислорода, где были получены интересные результаты, связанные с особенностями строения таких ядер вплоть до разрушения оболочечной структуры вблизи JV-границы [19,25,28]. В настоящее время эти исследования продолжаются [38-40]. Это перспективное и увлекательное направление современной физики атомного ядра.

Глава П. Гигантский Гамов-Теллеровский резонанс и вигнеровская SU(4) симметрия.

Представлено микроскопическое описание Гамов-Теллеровского резонанса и других, коллективных зарядово-обменных возбуждений сферических ядер. В рамках микроскопического расчета получено вырождение Гамов-Теллеровского и аналогового резонансов, что свидетельствует о восстановлении вигнеровской SU(4) суперсимметрии в нейтронно-избыточных ядрах. Дается описание силовой функции бета-распада с учетом резонансных состояний, проводится

сравнение с экспериментальными данными и другими расчетами. Анализируется проявление вигнеровской SU(4) суперсимметрии в ней-тронно-избыточных ядрах и возможность описания масс ядер в рамках SU(4) суперсимметрии. Показано хорошее согласие полученных теоретических значений массовых отношений с экспериментальными данными по большому количеству ядер.

Для описания спектра зарядово-обменных возбуждений ядер была построена микроскопическая модель в рамках теории конечных ферми-систем (ТКФС) А.Б. Мигдала (Мигдал А. Б. Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер. М: Наука, 1965, второе издание 1983.). Решалась система уравнений для эффективного поля зарядово-обменного типа с учетом разрешенных и /-запрещенных переходов. Использовалось локальное (XiT2) и (фО^'С^Тг) квазичастичное взаимодействие, параметризованное константами /0' и g'0. Учет членов, связанных с пионной модой приводит к эффективной перенормировке константы go [7,8,41]. Рассчитывались энергии, волновые функции и матричные элементы изобарических состояний (ИС), определялся вклад различных (р п )-конфигураций. Среди ИС выделялись по величине М1 коллективные и особенно ГТР (см. рис.1). Расчеты проведены для более чем 80 ядер с учетом спаривания и самосогласования в одночастичном ядерном потенциале.

Az+1 V

В 1972-74 гг. Ю.В. Гапоно-вым и автором было показано. [1-3], что согласно правилам отбора Д/=0;±1 существуют три основных типа коллективных ГТ состояний: ГТР -

Рис. 1. Схема ГТР в нейтрон-но-избыточных ядрах и процессов, сопровождающих Р~ -распад. Заштрихована область энергий, где возможно запаздывающее деление.

"spin-flip state", лежащий выше АР и приближающийся к нему с ростом N-Z; j/'-состояние (состояние типа "поляризации остова") — меньшей степени коллективности, сходное по структуре с АР и лежащее ниже его; а так же состояние с обратным поворотом спина ("back spin-flip state") - низколежащее коллективное ИС, проявляющееся в ядрах с большим избытком нейтронов.

В табл.1 представлены результаты расчетов [1-4] энергии АР и ГТР для 12-ти ядер от А=90 до А-208 для которых есть экспериментальные данные. Как видно из табл. 1 расхождение с экспериментом не превышает 0.45 МэВ для энергий АР (среднее 0.18 МэВ) и 0.95 МэВ для ГТР (среднее 0.45 МэВ), а для разности энергий Епр - ¿ар среднее расхождение с экспериментальными данными равно 0.44 МэВ. Отметим, что представленные в табл. 1 расчеты были сделаны на несколько лет раньше эксперимента.

Таблица 1. Параметры аналогового и Гамов-Теллеровского резонансен (в МэВ) [1-4].

I Ядро 1 E AP Егтр Егтр - Eap

нач.

calc. exp. calc. exp. calc. 0) exp. I

90Zr 4.99 5.0 8.25 8.8 3.26 3.91 3.8 ±0.2

92Zr 9.02 9.3 12.83 12.4 3.81 3.17 3.1 ±0.3

94 Zr 10.01 10.1 12.73 12.3 2.72 2.44 2.2 ±0.3

il2Sn 6.69 6.16 9.88 8.94 3.19 2.81 2.78 ±0.2

114Sn 6.91 7.28 9.60 9.39 2.69 2.32 2.11 ±0.2

U6Sn 8.47 8.36 10.36 10.04 1.89 1.79 1.68 ±0.2

U8Sn 9.23 9.33 10.93 10.61 .1.70 1.62 1.28 ±0.2

120Sn 10.20 10.24 11.78 11.45 1.58 1.35 1.21 ±0.2

122Sn 11.17 11.24 12.54 12.25 1.37 1.21 1.01 ±0.2

124Sn 12.05 12.19 13.59 13.25 1.54 1.13 1.06 ±0.2

.27j 12.3 12.5 13.6 14.5 1.3 1.75 2.0 ±0.3

208Pb 14.78 15.1 15.3 15.6 0.52 0.36 0.5 ±0.3 1

Для построения физически наглядной модели было использовано квазиклассическое приближение в ТКФС, которое позволило выявить физические особенности коллективных решений со уравнений

эффективного поля V(r,co) и получить их аналитический вид. Для разности энергий резонансов Aq-a получено (для АЕ > Els) [3,7,41]:

ЛС-а=Югтр- СОар « (So' -Л'УАЕ + öHMli [1+ с(А) (E/JAE)2]'1 (1)

g'o №

где Ь(А)=2Л[1-(2А)'Ш] и с(А)~0.8А'из<Ь(А) слабо зависят от А. Энергетические параметры ядра A(N,Z): Eh - средняя энергия спин-орбитального расщепления [3] и А£,=(4/3(N-Z)/A. Рассчитанные по (1) разности ДС-А представлены в табл. 1 и на рис. 2. На рис. 2

представлены так же ядра 71 Ga, 93Nb;

94,96,97,98,

100Мо и 117'U9Sn, рассчи-

танные позже и не включенные в табл. 1 (всего 22 ядра). Среднее расхождение Д0-а с экспериментальными данными не превышает 0.45 МэВ и большинство расчетных значений попадают в интервал экспериментальных погрешностей. Таким образом, аппроксимация (1) является на настоящее время лучшей и позволяет с хорошей точностью рассчитывать как разность энергий ГТР и АР, так и из этой разности получать значение энергии самого ГТР, с учетом того, что средняя точность расчета £ар составляет 0.18 МэВ.

Рис. 2. Энергия расщепления AG-a= £гтр - ЕАР нормированная на Eis в зависимости от безразмерного отношения AE/Els. Кривая - зависимость (1). Экспериментальные данные (начальные ядра): А- 71Ga; □ -

90,91,92,94i

Zr; 0 - *JNb;

94,96,97,98,100

Mo; О -

112,114,116,117,118,119,120,122,124,

Sn; А •

127I; • - 208Pb.

Разности энергий Aq-a (табл. 1) уменьшаются с ростом N-Z, что свидетельствует о вырождении ГГР и Фермиевского (АР) резонансов. Возможность такого вырождения предсказывалась Ю.В. Гапоновым и автором еще в 1973 году [2] в связи с исследованием ими проблемы восстановления вигнеровской SU(4) симметрии, позволяющей феноменологически описывать с помощью вигнеров-ских супермультиплетов изобарические состояния ядер и массовые соотношения для ядер-изобар в схеме нарушенной вигнеровской SU(4) симметрии [5].

При построении силовой функции S$(E), которая описывает усредненные вероятности переходов в малом интервале энергий, учитывалась фрагментация высоколежащих ИС за счет влияния многочастичных конфигураций, что эффективно приводит к их уширению. Ширина согласно ТКФС выбиралась в виде: Г(£) = ccd + ... .В расчетах S$(E) выбирался только первый член разложения с а » 1/£f, учитывающий влияние трехквазичастичных конфигураций. Использовалось значение а=0.018 МэВ"1, полученное из усредненных экспериментальных ширин и форма линии выбиралась брейт-вигнеровской. В качестве примера, на рис. 3 представлена силовая

f лч t чч 1 Т7

функция Хе, полученная в реакции I(р,п) Хе (Palarczyk М., et. al. Phys. Rev. 1999. V.59. P.500-509) и расчеты [31], выполненные совместно с Н.Б. Шульгиной на много лет раньше эксперимента.

Позже эти расчеты были уточнены автором с учетом коррекции по До-а (1) (рис. 3, точки). Расхождение экспериментальных данных по положению ГТР £п-р =14,5 МэВ, расчетов [31] - £гтр= 13,6 МэВ и

TT

1\

Рис.3. Силовая функция ß-распада 127Хе: гистограмма -эксперимент, линия, расчеты [31] , точки - расчеты с учетом коррекции по (1), пунктир -расчеты: Engel J., et. al. Phys. Rev. С. 1994. V.50. P. 17021708.

127-

расчетов по (1) - £гтр =14,05 МэВ, составляет 0.9 и 0.45 МэВ (7 и 4%), что вполне допустимо. В правиле сумм 2 = 3(7У - 2) = 63, суммирование по экспериментальным данным проводилось до энергии 20 МэВ и получалась величина quenching - эффекта q(%)~ 53.54, это составляет 0,84 от нашего значения q = eq2 = 0,64, где £ = eq2 3'(N- Z).

Глава III. Гамов-Теллеровский резонанс и процессы,

сопровождающие бета-распад нейтронно-избыточных ядер.

Рассмотрены методы описания процессов, сопровождающих Р-распад нейтронно-избыточных ядер; проведены расчеты периодов полураспада и вероятностей эмиссии запаздывающих нейтронов для ядер с большим избытком нейтронов; даётся описание эффекта мулътинейтронной бета-задержанной эмиссии, рассчитаны вероятности эффекта; рассматривается эффект запаздывающего деления в тяжелых нейтронно-избыточных ядрах и его проявление в процессе взрывного нуклеосинтеза:

Исследование нейтронно-избыточных ядер включает изучение процессов, сопровождающих их |3~-распад, что позволяет определить период полураспада и характеристические излучения [7-10].

Основной характеристикой радиоактивного ядра является его период полураспада - Тт- Попытки объяснить и предсказать величины Тт предпринимались с самого начала ядерной физики, но оказалось, что знания характеристик основного состояния ядра недостаточно и чем тяжелее ядро, тем более «подавленными» были периоды полураспада. Это означало, что величины Тш для тяжелых ядер были существенно меньше расчетных значений, полученных из формул, описывающих переходы между основными состояниями соседних ядер - изобар. Эту «подавленность» разрешенных (3-переходов удалось объяснить только с появлением представлений о коллективном состоянии - ядерном зарядово-обменном резонансе, вбирающем в себя основную силу ^-переходов. Расчеты величин Т]а проведенные в рамках ТКФС с учетом ГТР и других коллективных изобарических состояний [7-9] подтвердили это положение и объяснили «подавленность» разрешенных ^-переходов с хорошей точностью. Расчеты периодов полураспада для более чем 3000 нейтронно-избыточных ядер были проведены в процессе разработки модели нуклеосинтеза [15] и прогнозируемые величины Тщ использовались в астрофизических расчетах, в частности, для определения скорости и времени протекания процесса нуклеосинтеза [22].

Изучение (Р ^)-процессов, сопровождающихся эмиссией х-фрагмента (у-излучение, эмиссия одного или нескольких запаздывающих нейтронов, ос-частицы, осколков деления и т.д.), имеет значение для понимания структуры радиоактивных нейтронно-избыточных ядер и процессов ß'-распада материнского ядра A(N,Z) с последующей эмиссией х-фрагмента из возбужденных состояний дочернего ядра A(N-l,Z+l) (см. рис.1). Как видно из рисунка, возможность (Р",х)-процесса определяется энергетическим условием £2р>Д» где Вх энергия отрыва jc-фрагмента в дочернем ядре.

Процессы, сопровождающие р"-распад нейтронно-избыточных ядер, необходимо учитывать и при решении ряда прикладных задач реакторной физики, физики защиты от излучений, астрофизики и геофизики. Существенную роль рассматриваемые процессы играют при изучении фундаментальных астрофизических проблем нуклеосинтеза и космохронологии. В диссертации ß-задержанные процессы рассматриваются в едином подходе, основанном на описании силовой функции ß-распада S$(E) в рамках теории ТКФС [11-14,16-21].

Наиболее известен, открытый в 1939г. (ß~, л)-процесс, или процесс эмиссии запаздывающих нейтронов, играющий большую роль в реакторной физике и обнаруженный в более чем в 90-х ядрах-продуктах деления и более чем в 30-ти легких ядрах. В последнее время интенсивно изучается и (Р~,2«)-процесс, хотя первые измерения вероятностей Р2„ были проведены Azuma R.E. и др. в 1979 г., а годом позже на пучке протонов в CERN той же группой был обнаружен и (Р",3«)-процесс. Автором, совместно с И.В. Пановым и В.К. Сироткиным, было дано описание мультиней-тронной ß-задержанной эмиссии и впервые рассчитаны вероятности Pin и Ръп для наиболее интересных ядер [11-14]. В табл. 2 приводятся некоторые из этих расчётов.

Из табл. 2 видно, что величины Тт и Р1п неплохо совпадают с экспериментом, а описание Р2п улучшается с ростом N-Z. Дело в том, что механизм эмиссии двух нейтронов пока неясен, т. к. согласно расчетам, преобладает каскадный (п + п) -процесс, но интересная особенность ф~,2и)-процесса связана с возможностью эмиссии коррелированной динейтронной пары - 2 и [13,28].

Согласно расчетам, соотношение вероятностей Рл+л»Р2л, что

подтверждает доминирование каскадного процесса. Вопрос о ди-

нейтроне неоднократно обсуждался в литературе, однако в Р-задержанных процессах он еще не наблюдался.

Табл. 2. Периоды полураспада Тт (мс) и Рк„ (%) для изотопов N8

ядро

Эксперимент Расчеты[ 11-141 ]

Тт Рт Ргп Тт Рт Рт Ргп Рг„ !Рп+п п

48 30±4 - 62 43.0 0.6 - 0.024

17 37.3+5.4 1.1510.25 21 24.9 0.45 0.03 0.058

12.9 23.9±6.8 0.8710.24 10.6 23.8 3.4 0.08 0.12

8.4 52±20 8.3+2.1 7.5 50.0 13.9 0.29 0.09

5.5 113±22* 1215 4.8 93.1* 19.7 1.05 0.16

1.5 _ _ 1.4 58.6 39.7 3.3 0.19

1а 31Ка 32Ма 33Ма

3435

'N3 №

*) Суммарная величина Рп- полное число испущенных нейтронов на 100 Р-распадов, Рп = ^кРы ■

Эмиссия р~-задержанных заряженных частиц - тритонов и ос-частиц хотя энергетически возможна, но маловероятна из-за сильного влияния кулоновского барьера.

Ещё одним интересным р-задержанным процессом в области нейтронно-избыточных ядер является запаздывающее деление (ЗД), открытое В.И. Кузнецовым, Н.К. Скобелевым и Г.Н. Флеровым в 1966 году (Ядерная физика. 1966. Т. 4. С. 279-281) и характерное для трансурановых ядер. Возможность ЗД следует (см. рис. 1) из рассмотрения энергетических соотношений для В/и В„ (В/ - барьер деления в дочернем ядре). Анализ структуры силовой функции показывает, что в ряде случаев (Р^-процесс может быть усилен появлением в соответствующей области энергии коллективного изобарического состояния. Однако это усиление не может приводить к большой вероятности Рр/ из-за конкуренции с эмиссией запаздывающего нейтрона (Г„>Г/). Наиболее отчётливо эффект ЗД наблюдается в распределении концентрации тяжёлых нуклидов полученных в результате термоядерных взрывов - процессов моделирующих нуклеосинтез во взрывающейся звезде. Расчёты [20,27,42], представленные в диссертации это хорошо иллюстрируют.

Ниже в Главе V показано, что р~-задержанные процессы играют существенную роль в звёздном нуклеосинтезе.

Глава IV. Короткоживущие нейтронно-избыточные ядра.

Представлен расчет свойств ядер от кислорода до никеля расположенных вблизи границы нейтронной стабильности; дано описание новой области деформации нейтронно-избыточных ядер; анализируется эффект разрушения оболочечной структуры для N-граничных ядер с числами нейтронов N=20 и N=28. Подробно изучаются изотопы кислорода и натрия, расположенные на границе нейтронной стабильности; исследуется устойчивость ядра 6О как квазистационарного состояния в системе 240+2п. Показано, что пограничные ядра в рассмотренной области имеют нейтронную шубу с толщиной ~2 Фм.

Область нейтронно-избыточных ядер от кислорода до никеля интересна тем, что экспериментальные исследования, проводимые в России (ЛЯР ОИЯИ), Франции (GANIL), Японии (RIKEN) и др. странах позволяют получать ядра этой области на границе нейтронной стабильности и исследовать их свойства. С другой стороны теоретические подходы, основанные на микроскопических теориях, позволяют описывать и прогнозировать структуру и свойства таких ядер вплоть до N -границы. Это сочетание экспериментальных и теоретических возможностей позволяет существенно продвинуться в понимании и предсказании новых свойств экзотических ядер.

Экспериментальные работы 1980-х годов показали, что в нейтронно-избыточных изотопах натрия наблюдается аномальное поведение энергии отрыва нейтронов - S„ и среднеквадратичных радиусов S<r2> в зависимости атомного веса. Автором было высказано предположение, что с увеличением нейтронного избытка при приближении к границе нейтронной стабильности в изотопах натрия появляется деформация. Это приводит к изменениям в величинах S„ и 5<г2>, а так же в Г1/2 и Р„, что было подтверждено микроскопическими расчетами, выполненными совместно с М.В. Зверевым и И.В. Пановым [19-21]. В расчетах использовался квазичастичный лагран-жев метод (KJIM), развитый Э.Е. Саперштейном, В.А. Ходелем и С.А. Фаянсом в рамках ТКФС. Были получены минимумы в энергиях связи нейтронно-избыточных ядер в районе О - Mg с учетом изменения формы ядра в предположении, что для этих ядер наиболее устойчивой является вытянутая квадрупольная деформация.

Эффект деформации при увеличении нейтронного избытка для ядер сЛГ>20, расположенных вблизи границы нейтронной стабильно-

ста приводит к изменению многих параметров ядер рассматриваемой области. Расчеты для короткоживущих изотопов неона и натрия в сферическом и деформированном базисах [39] показывают, что деформация может сильно изменить величину Т\п. Например, для изотопов 33-'34№ и 35№ (эксп. Тщ равны 8.4, 5.5 и 1.5 мс) в сферическом базисе было получено Тш~ 12, 8.1 и 2.4 мс, а в деформированном - 7.5,4.8 и 1.4 мс, соответственно (см. так же табл. 2).

Из-за сильной деформации и развитого спаривания наблюдается эффект исчезновения известных магических чисел N=20 и N=28 в этой области ядер и появления новых квазимагических чисел N=16 и N=26 для ядер, расположенных вблизи границы нейтронной стабильности. Это иллюстрируется на рис. 4, где видно расщепление одночастичных уровней при увеличении параметра квадрупольной деформации р2о=р2- В случае ядер с N = 26, 28 наиболее интересно расщепление уровня 1/7/2. Видно, что для N = 26 ядро остается связанным при увеличении параметра деформации до значений (32 ~ 0.4, энергетический просвет исчезает и оболочечная структура разрушается.

Е. МЭВ 37 Рис.4. Нейтронные одночастич-

„ 7/2" ные уровни энергий

' 37№ [38-40].

Эффект деформации и возможного разрушения оболочечной структуры для короткоживущих нейтронно-избыточных ядер предсказывался автором ранее на примере анализа изотопов Иа. Похожая схема реализуется и для изотопов фтора, неона и магния, расположенных вблизи ^-границы. Эффект деформации дает дополнительную устойчивость и ^-граница сдвигается в сторону ядер с большим нейтронным избытком [40]. Так в 1995 году было предсказано существование пограничных изотопов 34№ и 37№ [28], а изотопы збКе и 38,39Ыа должны распадаться по 2н-каналу, что позже подтвердилось экспериментально. Возможность существования пограничного изотопа 37№ обсуждалась автором еще раньше в работе [20].

Особая ситуация сложилась вокруг пограничных .^-избыточных изотопов кислорода. Изотоп 240 известен давно и много сил было потрачено на обнаружение 260 и дважды магического изотопа 280

который, как показывали почти все расчеты, должен был находиться на границе нейтронной стабильности. Однако наши, совместно с М.В. Зверевым расчеты, выполненные в самосогласованном ТКФС подходе показали, что последним нуклонно-стабильным изотопом кислорода

Ai * rt / AQ *

должен быть О, а изотопы О и О, должны распадаться по 2п-каналу. Во Франции, в GANIL совместно с ЛЯР ОИЯИ (Дубна) были проведены эксперименты, подтвердившие наши предположения и обнаружившие нестабильность изотопов кислорода 2бО и 280 [26].

Двухнейтронный распад изотопа 2бО и мультинейтронный распад 280 может идти с периферии из нейтронного гало через образование коррелированной динейтронной пары в квазистационарном состоянии 2бО*= 240+2п. Рассчитанная ширина при этом распаде составляет Г~10"3-10"5 МэВ [28]. Аналогично и для других подобных ядерных систем типа (А+2)* = А + п, например, 36Ne* и

Глава V. Нейтронно-избыточные ядра и образование элементов в природе.

Представлена разработанная математическая модель нуклеосинтеза с учетом ядерных превращений нейтронно-избыточных ядер; проведены расчеты скорости протекания процесса быстрого нуклеосинтеза и формирования нуклидного состава среднетяжелых ядер; дано описание влияния эмиссии запаздывающих нейтронов на формирование распространенности ядер в процессе быстрого нуклеосинтеза; анализируется влияние запаздывающего деления при образовании трансурановых элементов в интенсивных импульсных нейтронных потоках; изучается зависимость величины возраста Галактики в модели быстрого нуклеосинтеза от параметров модели.

История изучения распространённости элементов в природе и попыток построения моделей нуклеосинтеза для объяснения относительного и абсолютного содержания различных химических элементов и изотопов насчитывает не одно десятилетие. Благодаря первым работам У. Фаулера (см. Нобелевские лекции по физике. УФН. 1985. Т. 145. Вып. 3. С. 441-480) и исследованиям последних лет, в том числе и работам автора, стало очевидным, что для количественного объяснения наблюдаемой концентрации нуклидов, помимо знания астрофизических условий, в которых они образовывались (температура, плотность вещества, характерные времена протекания ядерных процессов и др.), необходимо решение целого ряда проблем ядерной

физики. Одной из основных является проблема описания свойств и радиоактивных превращений ядер с большим избытком нейтронов.

Понятие распространённости элементов содержит много информации о процессах, при которых это происходило: об эволюции звёзд, Галактики и ранней Вселенной; о ядерной физике - физике ядерных реакций, свойствах и структуре ядер с аномальным содержанием нейтронов. Количественное описание процесса нуклеосинтеза потребовало создания математической модели, работающей в широком интервале астрофизических условий и с адекватными прогнозами данных для короткоживущих нейтронно-избыточных ядер.

Процесс образования элементов тяжелее железа путем последовательного захвата нейтронов происходит в зависимости от астрофизических условий, в первую очередь от концентрации свободных нейтронов Пп и температуры Т9=Т/109 К.

Рис 5. Пути образования элементов в б- и г- процессах. Путь г-процесса рассчитан для двух вариантов: (1) пп=1024

«О

ЕС

60

40

20

см - и Т9=1 и (2) пп=1024

i3 -3

Путь г-процесса

Деление

50

82

100

126

«О

N

200

см" и Т9=2. Пунктир граница нейтронной стабильности.

Захват нейтронов осуществляется двумя путями: в быстром г-

процессе (rapid), протекающем при пп~102°-*-1030 см"3 и Т9~0,5+5, и медленном s - процессе (slow), протекающем при п„ и Т9 на несколько порядков меньших. Такое, деление на и г- и s-процессы было введено, исходя из сравнения скоростей захвата нейтронов и (3-распадов, и в наблюдаемых распространенностях выделяется две компоненты, соответствующие г- и s-процессам [25]. Для s-процессов, с n„~1014-f-1016 см"2-с"' и Т9«1, среднее время между захватами нейтронов составляет дни и годы, так что в нем участвуют в основном долгоживущие и стабильные нуклиды (см. рис. 5). Соответственно для г-процесса характерные времена на много порядков меньше, и основную роль играют ядра с большим избытком нейтронов, большими энергиями Р-распада и с малыми периодами полураспада Тт«\ с.

Это - экспериментально не изученные ядра и необходимые для расчетов данные прогнозируются в рамках той или иной модели. Как показано в диссертации, от выбора ядерной модели существенно зависит относительный выход ядер, образующихся в г-процессе.

В диссертации представлена развитая математическая модель, позволяющая рассчитывать как эти крайние случаи нуклеосинтеза средних и тяжелых ядер, так и промежуточные по пп и Т9 варианты. Основное внимание уделяется г-процессу. Работа по созданию математической модели проводилась совместно с сотрудниками ИПМ им. М.В. Келдыша: В.М. Чечеткиным, О.Н. Синюковой, С.С. Филлипо-вым и сотрудниками ИТЭФ И.В. Пановым и Д.А. Птициным [15-18].

Расчеты нуклеосинтеза проводились с описанием кинетики реакций с участием нейтронов и ß-распадов, причем в математической модели не было сделано разделения на s- и r-процессы. В основном уравнении, описывающем изменение концентрации п(А, Z) во времени, учитывались скорости захвата и фотодиссоциации нейтрона, скорость ß-распада ядра, вероятности эмиссии одного, двух и трех нейтронов, деление тяжелых ядер. Для проведения комплексных расчетов r-процесса в большой области ядер с А > 50 были рассчитаны силовые функции S$(E) и необходимые ß-распадные характеристики для более чем 3000 нейтронно-избыточных ядер. Существенное влияние на скорость протекания r-процесса и получаемую распространенность ядер оказывают ß-задержанные процессы - эмиссия запаздывающих нейтронов и запаздывающее деление, которые рассчитывались с учетом ГТР.

,лНод'14 Рис.6. Зависимость

ю

4

8

б

2

рассчитанной (в относительных единицах) концентрации ядер от А при Т=109К, п„ =1024см"3, без ветвлений - 1; 2 - с ветвлениями за счет (|Г,1-Зи)-процессов; 3 - экс-

2 VTII \1W WМ/1 • Т Г » г

Г ут\

n U_U-_—I_I_I-1-1-1-1-1-1-1 . I-1-1—

120 140 160 180 200 220 240 260

1 периментальные данные (в масштабе, сдвинутом - по вертикальной оси).

На рис.6 демонстрируется влияние (Р',л)-процесса при формировании концентрации г-процессных нуклидов [16]. Образующаяся первичная концентрация нейтронно-избыточных ядер (кривая 1) имеет значительные четно-нечётные колебания, которые сглаживаются по мере возвращения ядер в долину стабильности (кривая 2). В области тяжелых ядер последовательные а-распады и спонтанное деление приводят к сглаживанию итоговой кривой.

Рассчитанное время протекания г-процесса [22] составляет секунды и может сильно различаться в статическом и динамическом процессах. Лучшего согласия в соотношениях между рассчитанными пиками концентраций можно добиться учетом зависимости от времени внешних параметров п„и Т9В динамическом г-процессе [20].

Таким образом, ядерно-физическую задачу нуклеосинтеза необходимо решать согласованно с гидродинамическим подходом, описывающим динамику изменения характерных параметров.

В рамках развитой математической модели нуклеосинтеза с использованием различных наборов прогнозируемых данных был рассчитан возраст вещества, который определяет возраст нашей Галактики [23,24]. Использовался метод уран - ториевых изотопных отношений в предположении, что на химический состав элементов, особенно тяжелых, Солнечной системы повлияла вспышка нуклеосинтеза (возможно, близкий взрыв Сверхновой) незадолго до образования планетарной системы, так называемый, Б-пик нуклеосинтеза. В наблюдаемых величинах обычно рассматриваются относительные распространенности ядер, поэтому удобно перейти и к относительным скоростям образования элементов. Рассчитывались следующие относительные скорости: 'Кл^А./М, соответствующая Х2 для пъТЪ (Г1/2=14,05-109 лет) и для 238и (4,468-Ю9 лет), и Тцг'КД* соответствующая отношению Х5 для 235и (0,7038 109 лет) к Х8 для 238и.

В диссертации использовались значения л2з, полученные в расчетах г-процесса как в приближении квазиравновесия по ядерным реакциям, так и с отказом от него. Варьировался также способ расчёта эмиссии запаздывающих нейтронов и параметр плотности свободных нейтронов п„. Результаты вычислений демонстрируют зависимость То от выбора модели галактического нуклеосинтеза и метода прогнозирования ядерных характеристик. Возраст То, как итог по всем вариантам, лежит в пределах от 9 до ~20 млрд. лет, а величина всплеска Б изменяется от 0 до 25%.

Среднее (рекомендованное) значение То, полученное с учетом {J-задержанных процессов, рассчитанных по описанной в диссертации методике, включающей ГТР и другие коллективные состояния нейтронно-избыточных ядер равно 14.5±1.5 млрд. лет (при значении S=7%). Из недавних астрономических наблюдений возраст Тц получается от 13.5 (спутник WMAP) до -15 млрд. лет (шаровые скопления старых звезд).

Сильный разброс рассчитанных величин То может быть уменьшен, во-первых, решением вопроса об "S -пике" путем обоснования его в астрофизическом сценарии и метода количественного описания. Шагом вперед станет рассмотрение других независимых хронологий (например, Os/Re), которые могут дать ограничения на величину всплеска. Во-вторых, необходимо уточнение данных для тяжелых ядер и методов их расчёта. Таким образом, будет уменьшена модельная зависимость величины возраста TG, рассчитываемой методами изотопных отношений в ядерной астрофизике.

Глава VI. Нейтронно-избыточные ядра в нейтринных исследованиях.

Изучено влияние нейтронно-избыточных ядер в нейтринных процессах, дано описание процесса захвата нейтрино в галий-германиевом и йод-ксеноновом детекторах, проведен анализ возможности использования детекторов солнечных нейтрино в реакторных экспериментах, представлена концепция интенсивного источника антинейтрино на базе мощных ядерно-физических установок, моделируются процессы в литиевом конверторе реакторных нейтронов в антинейтрино, оптимизированы режимы работы установки, её геометрические параметры и химический состав вещества конвертора.

При расчетах взаимодействия нейтрино с ядром (обратный Р-распад) необходимо знание всего спектра зарядово-обменных состояний и, в том числе, гигантского Гамов-Теллеровского резонанса. То есть, сначала строится силовая функция S$(E) ядра-мишени, а затем рассчитывается сечение (ve,e) взаимодействия с известным спектром нейтрино. В диссертации в плане развития проектов использования галлий-германиевого и йод-ксенонного детекторов солнечных нейтрино проведены расчеты Ga(ve,e) Ge и I(vc,e) Хе реакций, так же представлены соответствующие силовые функции

[29,31] (см. рис. 3). Сравнение с экспериментальными силовыми функциями, представленное в Главе II, показывает неплохое согласие, что позволяет использовать полученные функции 5р(£) в расчетах сечений для солнечных уе-спектров. Анализ расчетов показал сильное влияние ГТР на величину сечения а^ и это влияние усиливается при увеличении жесткости спектра нейтрино, например, для нейтрино от Сверхновой. В (уе,е")-реакции с жестким Уе-спектром в дочернем ядре возбуждаются изобарические состояния (ИС) с энергией Ех>Вп и происходит эмиссия нейтрона, что может служить дополнительным индикатором уе-захвата.

Рассмотрена возможность использования галлий-германиевого и йод-ксенонного детекторов солнечных нейтрино в реакторных нейтринных экспериментах. Действительно, детекторы солнечных нейтрино, расположенные вблизи ядерных реакторов или других Уе -источников, например, источников с Ы-содержащим конвертором (см. ниже), могут использоваться в экспериментах по поиску \>е <-н>е

осцилляций. Степень перекрытия состояний Уе и Уе обычно характеризуется величиной а2 = сг,ка,/арасч, т. е. отношением измеренного сечения реакций 71ва(Уе ,е")71Се или 1271(\'е ,е")127Хе (Уе+2Ан -> 2+1А№1 +е" - в общем случае) к рассчитанному в предположении

Получено, что учет коллективных ИС увеличивает сечение орасч примерно в два раза для антинейтрино реакторного спектра. Наибольшее увеличение параметра смешивания а должно быть в случае жесткого Уе -спектра литиевого конвертора. Так при эффективности конвертора в 5 и 15% параметр ос увеличивается в 5 и 10 раз соответственно, что делает эксперименты по поиску Уе ОУе осцилляций на реакторах существенно более перспективными, чем на ускорителях.

Ядерные реакторы, как мощные \е -источники используются для изучения нейтрино уже более 50-и лет со времен экспериментов Кована и Рейнеса по наблюдению нейтрино на реакторе Савана-Ривер. Вместе с преимуществами, связанными с интенсивным реакторным \/е -потоком, имеются неопределенности и особенности [30] в форме уе -спектра, особенно в жесткой его части важной благодаря зависимости сечения Уе-захвата от энергии Е~ как а~ Е\. Жесткая часть

реакторного уе-спектра формируется короткоживущими ядрами-

продуктами деления с большой энергией Р-распада и, в основном, с плохо изученными схемами распада [10], которые приходиться прогнозировать, используя теоретические модели, в данной работе - в рамках ТКФС, как описано выше.

Однако, гораздо эффективнее использовать конвертор, окружающий активную зону ядерного реактора и поглощающий исходящие нейтроны, преобразуя их в жесткие антинейтрино с известным спектром. Идея такого конвертирования за счет реакции 71л(п,у)81л с последующим [Г-распадом короткоживущего изотопа 81л (7]/2= 0.84 с, £.тах =1з о была высказана Л. А. Микаэльяном, П.Е. Спиваком и

В.Г. Циноевым ещё в 1965 году и развивалась впоследствии в цикле работ автора совместно с В.И. Ляшуком [33-37]. Преимущества использования более жесткого литиевого \'е-спектра очевидны из рис.7 на котором сравниваются реакторный и 81Л -спектры.

2.5

? ............Рис.7. Сравнение \»е-

2 Ув-спеюр __ н спектров от распада

изотопа 81л и от работаю-1.5 —| щего ядерного реактора.

Для 81л V, -спектра

средняя энергия = 6.5 МэВ и сечение Уе -захвата возрастает в десятки раз. Однако литий в конверторе должен быть очищен

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 Энергия \>в , [Ме\/]

от "паразитного" изотопа 61л хорошо захватывающего нейтроны. Приемлемая чистота по изотопу 71л должна составлять 99.99 -99.995%, что может быть реально в настоящее время.

С другой стороны, использование в конверторе только сверхчистого изотопа 71л в металлическом виде или в виде тяжеловодного раствора является не очень эффективным. Оптимизация проводилась по химическому составу вещества конвертора, который варьировался в широких пределах - от тяжеловодных растворов ХлОБ, ООБ В20 и 1ЛБ, до таких соединений как 1л2С2, и2С03,1Л20, ЬШС03, 1лБР2

и их тяжеловодных растворов [34]. При этом фиксировалось значение эффективности к (где к равно количеству нуклидов 1л получаемых на один нейтрон, выходящий из активной зоны) и в различных вариантах геометрии рассчитывалась масса необходимого лития при чистоте по изотопу 71л равной 99.99%. Было получено, что тяжеловодный раствор 1лСЮ может считаться наиболее перспективным. Например, при концентрации лития 9.46% для достижения эффективности к = 7.7% требуется в 300 раз меньше лития, чем при использовании очищенного металлического лития-7.

Оптимизация параметров конструкции реактора-конвертора проводилась с использованием Монте-Карловской программы МАМОНТ, разработанной для реакторных и геофизических расчётов и отлаженной при сопоставлении расчётов переноса нейтронов с базовыми интегральными экспериментами [33]. Оптимизационные расчёты показали, что наибольшая эффективность - к получается в геометрии, включающей тяжеловодный отражатель нейтронов.

Для увеличения счёта полезных событий в нейтринном детекторе предлагается схема динамического режима работы установки, в которой жидкий литий или тяжеловодный раствор его химического соединения быстро прокачивается от активной зоны реактора до резервуара, расположенного рядом с детектором. Такая установка позволит не только работать с более жестким Уе-спектром, но и варьировать жесткость Уе -спектра за счет скорости прокачки. Представленные расчеты для различных режимов прокачки и конструкционных вариантов показали, что, например, для нейтрального канала (\>е ,с1) реакции счёт полезных событий может возрастать в десятки раз, а для заряженного - на два порядка.

Представлена концепция интенсивного источника нейтрино на базе линейного протонного ускорителя, бланкета-размножителя нейтронов и литиевого конвертора, работающего в статическом и динамическом режимах [35-37]. Такая установка похожа на создаваемые в настоящее время установки, включающие интенсивные нейтронные источники на базе ускорителя, размножающую мишень и бланкет с радиоактивным веществом, предназначенные для переработки ядерных отходов. Предлагается заменить бланкет с радиоактивным веществом на литиевый конвертор с целью получения интенсивного потока антинейтрино для научных исследований [37].

Рассмотрены возможности нейтринной диагностики при аварийных ситуациях на АЭС [32], где в расчетах использовался описанный метод прогнозирования схем распада короткоживущих ядер и суммарных Уе -спектров. С помощью нейтринной диагностики можно определить энерговыделение в процессе разгона реактора, окончившегося взрывом, и наличие в разрушенном аппарате самопроизвольной цепной реакции после взрыва. Такая дистанционная нейтринная диагностика позволяет быстрее и, главное, безопаснее определять состояние оставшегося ядерного топлива и отсутствие самопроизвольной цепной реакции. Это особенно важно для аварий типа аварии на Чернобыльской АЭС.

Заключение. Содержит основные результаты и выводы, полученные в проделанной работе.

Основные результаты проделанной работы.

В диссертации представлены работы по исследованию гигантского Гамов-Теллеровского резонанса и других коллективных изобарических состояний сферических ядер, влиянию этих состояний на распадные характеристики ядер с большим избытком нейтронов; изучению структуры нейгронно-избыточных ядер и их распадов, поведения вблизи границы нейтронной стабильности и в процессах быстрого нуклеосинтеза. Разработано и активно развивается новое направление в ядерной физике, связанное с изучением коллективных зарядово-обменных состояний ядер и с прогнозированием свойств нейгронно-избыточных ядер.

В настоящей работе получены следующие результаты.

1. Дано описание гигантского Гамов-Теллеровского резонанса. В рамках теории конечных ферми-систем А.Б. Мигдала проведены расчеты положения ГТР, его матричных элементов и структуры для сферических ядер.

2. В рамках микроскопического подхода предсказано вырождение Гамов-Теллеровского и аналогового резонансов и восстановление вигнеровской Би(4) суперсимметрии в нейгронно-избыточных ядрах.

3. Представлено описание коллективных изобарических состояний -сателлитов ГТР и силовой функции {З-распада для сферических нейгронно-избыточных ядер.

4. Получено модельное квазиклассическое решение уравнений для эффективного поля и аналитические выражения для энергий и

матричных элементов зарядово-обменных возбуждений ядер, которые позволяют качественно понять основные свойства FTP и других коллективных ИС.

5. Разработана методика позволяющая описывать силовую функцию Р-распада S^(E), проведены сравнения рассчитанной функции Sp(E) с экспериментальными данными и расчетами по другим методикам. Показано, что рассчитанная функция S$(E) хорошо описывает экспериментальные данные в области энергий, соответствующих ГТР.

6. Разработаны методы описания процессов, сопровождающих Р-распад нейтронно-избыточных ядер. Проведены расчеты периодов полураспада, вероятностей запаздывающего деления, эмиссии запаздывающих нейтронов и впервые для двух- и трех-нейтронной Р-задержанной эмиссии.

7. Проведены расчеты образования трансуранов в термоядерных взрывах и показано, что наблюдаемые аномалии в распределении концентраций этих ядер объясняются влиянием эффекта запаздывающего деления.

8. Дано описание свойств ядер, расположенных вблизи границы нейтронной стабильности. Предсказана возможность появления новой области деформации нейтронно-избыточных ядер.

9. Проведен расчет свойств ядер от кислорода до никеля расположенных вблизи границы нейтронной стабильности. Предсказано, что изотопы натрия 39Na, кислорода О и О являются нестабильными и должны находиться за границей нейтронной стабильности, а последними нуклонно стабильными являются изотопы 240 и 37Na.

10. Рассчитана граница нуклонной стабильности для ядер от кислорода до никеля. Показано, что крайними нуклонно стабильными изотопами в районе О - Mg являются 240, 4Ne, 37Na и 40Mg, что соответствует последним экспериментальным данным. Показано, что пограничные ядра в рассмотренной области имеют нейтронную шубу с толщиной ~ 2 Фм и толщина нейтронной шубы сильно увеличивается с ростом N.

11. Дано описание эффекта разрушения оболочечной структуры для нейтронно-избыточных ядер с числами нейтронов N = 20 и N = 28.

12. Разработана и реализована математическая модель нуклеосинтеза с учетом ядерных превращений нейтронно-избыточных ядер.

13. Проведены расчеты скорости протекания процесса быстрого нуклеосинтеза и формирования нуклидного состава среднетяжелых ядер. В динамической модели взрывающейся звезды показана сильная зависимость времени образования тяжелых ядер от скорости разлета вещества.

14. Дано описание влияния эффекта эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления на формирование распространенности ядер в процессе быстрого нуклеосинтеза. Впервые численно показано, что (|3,и)-процесс сглаживает первоначальную кривую распространенности нуклидов и приближает ее к экспериментальной.

15. В модели быстрого нуклеосинтеза методом уран-ториевых изотопных отношений проведены расчеты возраста вещества Галактики и показана сильная зависимость этой величины как от параметров используемой модели нуклеосинтеза и от прогнозируемых характеристик нейтроноизбыточных ядер, так и от используемого сценария формирования Галактики.

16. Дано описание процесса захвата нейтрино в галлий-германиевом и йод-ксеноновом детекторах, рассчитаны силовые функции (3-распада и сечения для (у,е)-реакции для этих ядер.

17. Проанализирована возможности использования детекторов солнечных нейтрино в реакторных экспериментах, в частности, возможность изучения нейтринных осцилляций с помощью

галлий-германиевого и йод-ксенонового детекторов.

18. Развита концепция интенсивного источника нейтрино на базе мощных ядерно-физических установок с использованием литиевого конвертора нейтронов в антинейтрино, работающего в статическом и динамическом режимах. Получено, что в литиевом конверторе за счет увеличения жесткости уе -спектра, для нейтрального канала (уе ,(1)

реакции, счёт полезных событий может возрастать в десятки раз, а для заряженного - на два порядка.

19. Проведено математическое моделирование физических процессов, протекающих в литиевом конверторе реакторных нейтронов в антинейтрино, оптимизированы режимы работы установки, её геометрические параметры и химический состав вещества конвертора.

20. Представлена концепция интенсивного источника нейтрино на базе протонного ускорителя, бланкета-размножителя нейтронов и литиевого конвертора, работающего в статическом и динамическом режимах. Показано, что такая установка должна быть еще более

эффективной, чем стационарный реактор, окруженный конвертором, работающий в динамическом режиме. Впервые рассмотрена возможность использования ловушек больших ускорителей как источника нейтронов для литиевого конвертора, в частности расчеты проведены для установки LHC (большой накопительный коллайдер) CERN. 21. В рамках математического моделирования проведены расчеты спектра антинейтрино ядерного реактора, работающего в стационарном и переходных режимах. Показано, что ve-

детектором можно провести нейтринную диагностику при аварийных ситуациях на АЭС, определив энерговыделение как в случае импульсного разгона реактора, так и при самопроизвольной цепной реакции после взрыва в активной зоне ядерного реактора.

Основные работы по теме диссертации:

1. Талонов Ю.В., Лютостанский Ю.С. О возможном существовании 1+ резонанса в реакциях перезарядки. Письма в ЖЭТФ. 1972. Т. 15. Вып.З. С. 173-175.

2. Гапонов Ю.В., Лютостанский Ю.С. Гамов-Теллеровский резонанс и вигнеровская схема супермультиплетов. Письма в ЖЭТФ. 1973, Т. 18. Вып.2. С. 130-132.

3. Гапонов Ю.В., Лютостанский Ю.С. Гамов-Теллеровский изобарический 1+ резонанс. Ядерная Физика. 1974. Т. 19. № 1. С. 62-73.

4. Гапонов Ю.В., Лютостанский Ю.С. Изобарические конфигурационные 0+ состояния, протон-нейтронная дырка в сферических ядрах. Ядерная Физика. 1972. Т. 16. Вып.З. С. 484-496.

5. Гапонов Ю.В., Григорьян Ю.И., Лютостанский Ю.С. Восстановление нарушенной SU(4) симметрии в тяжёлых ядрах. Ядерная Физика. 1980. Т. 31. Вып.1. С. 65-78.

6. Гапонов Ю.В., Лютостанский Ю.С., Алексанкин В.Г. Положение гамов-теллеровского резонанса и восстановление вигнеровской SU(4) - симметрии. Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 34. Вып.7. С. 407-410.

7. Гапонов Ю.В., Лютостанский Ю.С., Микроскопическое описание гамов - теллеровского резонанса и коллективных изобарических 1+ состояний сферических ядер. Физика элементарных частиц и атомного ядра. 1981. Вып.6. С. 1324-1363.

8. Гапонов Ю.В., Лютостанский Ю.С. Гамов-Теллеровский резонанс. Известия АН СССР. Сер. физическая. 1982. Т. 46. №1. С.143-153.

9. Алексанкин В.Г., Лютостанский Ю.С., Панов И.В. Периоды полураспада ядер удалённых от линии стабильности и структура силовой функции p-распада. Ядерная Физика. 1981. Т. 34. С. 1451-1463.

10. Громов К.Я., Лютостанский Ю.С. Ядерная спектроскопия и вопросы структуры атомных ядер. Изд-во МИФИ. 1983. 3,5 п/л.

11. Лютостанский Ю.С., Панов И.В. О возможности эмиссии двух нейтронов при бета - распаде ядер. Ядерная Физика. 1983. Т. 37. Вып.2. С. 274-276.

12. Lyutostansky Yu.S., Panov I.V. The Estimation on p-Dclayed Two -Neutron Emission Probability in the A > 50 Region. Zeitschrift fur Physic A. 1983. V. 313. P. 235-238.

13. Lyutostansky Yu.S., Panov I.V., Sirotkin V.K. The p - Delayed Multy - Neutron Emission. Physics Letters. 1985.V. 161B. №1. 2,3. P. 9-13.

14. Лютостанский Ю.С. Процессы, сопровождающие p-распад ядер с большим избытком нейтронов. Известия АН СССР. Сер. физическая. 1986. Т. 50. №5. С. 834-846.

15. Лютостанский Ю.С., Птицин Д.А., Синюкова О.Н., Филлипов С.С., Чечеткин В.М. Образование элементов с А > 80 в нейтронном потоке при астрофизических условиях. Ядерная Физика. 1985. Т.42. Вып. 1(7). С. 215-223.

16. Лютостанский Ю.С., Панов И.В., Синюкова О.Н., Филлипов С.С., Чечеткин В.М. Роль запаздывающих нейтронов при образовании элементов в г - процессе. Ядерная Физика. 1986. Т. 44. Вып.1. С. 66-79.

17. Лютостанский Ю.С., Чечеткин В.М. Нейтроноизбыточные ядра и образование элементов в природе. Изд-во МИФИ, М. 1987. 3,75 п/л.

18. Lyutostansky Yu.S., Malevanny S.V., Panov I.V., Chechetkin V.M. Neutron - rich nuclei and nucleosynthesis. Proceedings of 5 -Internationa1 Conf. OnNucl. Far from Stability. 1987 Canada, Am. Inst, of Physics. New York. 1988. P. 568-571.

19. Lyutostansky Yu.S., Zverev M.V., Panov I.V. New deformation region of neutron - rich nuclei and P - delayed neutron emission. Там же. New York. 1988. P. 727-730.

20. Лютостанский Ю.С. Нейтроноизбыточные ядра, нуклеосинтез и проблемы астрофизики. Материалы 23 Зимней Школы ЛИЯФ. Т. III. С. 85-164. Ленинград. 1988.

21. Лютостанский Ю.С., Зверев М.В., Панов И.В. Новая область деформации нейтроноизбыточных ядер и эмиссия запаздывающих

нейтронов. Известия АН СССР. Сер. физическая. 1989. Т. 53. С. 853857.

22. Лютостанский Ю.С., Панов И.В. Ядернофизическая оценка минимального времени протекания процесса нуклеосинтеза при взрыве звезды. Письма в Астрономический Журнал. 1988. Т. 14. С. 168-175.

23. Лютостанский Ю.С., Малеванный С.В., Панов И.В., Синюкова О.Н., Чечеткин В.М. Возможность определения возраста Галактики методом уран-ториевых отношений. Ядерная Физика. 1988. Т. 47. Вып.5. С. 1226-1238.

24. Лютостанский Ю.С. Космохронология. Физическая Энциклопедия. Т. 2. С. 480-483. Изд-во "Советская энциклопедия. М. 1989.

25. Lyutostansky Yu.S. Two Types of the Solar System Matter. Reports of Annals GeoDhvsics XVI General Assembly 1991. Weisbaden Germany. V. 9. P. С 368-370.

26. Guillemaud - Mueller D., Jcmart J.C., Kashy E., Latimier A., Mueller A.C., Penionzhkevich Yu.E., Artuhk A.G.. Belozyorov A.V.. Lukvanov S.M., Anne R., Bricault P., Detraz C., Lewitowicz M., Zhang Y., Lyutostansky Yu.S., Zverev M.V., Bazin D., Schidt-Ott W.D. Particle stability of the isotopes 260 and 32Ne in the nuclear reaction 44 MeV/ nucleon 48Ca + Та. Physical Review C. 1990. V. 41. № 3. P. 937-941.

27. Лютостанский Ю.С., Ляшук В.И., Панов И.В. Влияние эффекта запаздывающего деления на образование трансурановых элементов. Известия АН СССР. Сер. Физическая. 1990. Т. 54. №11. С. 2137-2141.

28. Зверев М.В., Клочкова Н.В., Лютостанский Ю.С., Юдина Е.К. Нуклеосинтез и свойства ядер вблизи границы нейтронной стабильности в области от кислорода до никеля. Ядерная Физика. 1995. Т. 58. № 12. С. 2172-2179.

29. Боровой А.А., Лютостанский Ю.С., Панов И.В., Хакимов С.Х., Шульгина Н.Б. Силовая функция германия - 71 и проблема Уе-Уе -

осцилляции. Письма в ЖЭТФ. 1987. Т. 45. Вып.И. С. 521-523.

30. Лютостанский Ю.С., Тихонов В.Н. Об особенностях в спектрах антинейтрино ядер. Ядерная Физика. 1987. Т. 46. Вып. 1(7). С. 66-68.

31. Lutostansky Yu.S., Shulgina N.B. Strength Function of 127Xe and Iodine-Xenon Neutrino Detector. Physical Review Letters. 1991. V. 67(4). P. 430-434.

32. Боровой A.A., Владимиров Д.М., Гаврилов С.Л., Зверев М.В., Лютостанский Ю.С. Возможность нейтринной диагностики при

аварийных ситуациях на АЭС. Атомная энергия. 1991. Т. 70. Вып. 6, С. 386-388.

33. Лютостанский Ю.С., Ляшук В.И. Моделирование переноса нейтронов в литиевом бланкете с термоядерным источником. Атомная Энергия. 1990. Т. 68. Вып.2. С. 135-137.

34. Лютостанский Ю.С., Ляшук В.И. Конвертор реакторных нейтронов в антинейтрино на основе литиевых соединений и их растворов. Атомная Энергия. 1990. Т. 69. Вып.2. С. 120-122.

35. Lvutostansky Yu.S., Lyashuk V.I. Powerful Hard - Spectrum Neutrino Source Based on Lithium Converter of Reactor Neutrons to Antineutrinos. Nuclear Science and Engineering. USA. 1994. V. 117. P. 77-87.

36. Lutostansky Yu.S., Lyashuk V.I. Powerful Dynamical Neutrino Source with a Hard Spectrum. Ядерная Физика. 2000. Т. 63. №7. С. 13611364.

37. Lutostansky Yu.S., Lyashuk V.I. Antineutrino Spectrum From Powerful Reactor and Neutrino Converter System. Письма в ЭЧАЯ. 2005. Т. 2. №4 [127]. С. 60-65.

38. Lyutostansky Yu.S., Lukyanov S.M., Penionzhkevich Yu. E., Zverev M.V. Neutron Drip Line In The Region of O-Mg Isotopes. Письма в ЭЧАЯ. 2002. №6 [115]. С, 86-93.

39. Lutostansky Yu.S. Nuclear properties near the neutron drip line in the O-Si region. Nuclear Physics A. 2004. V. 734. SI. P. E69-E72.

40. Лютостанский Ю.С. Нарушение оболочечной структуры нейтрон-но-избыточных ядер в области от кислорода до магния. Известия РАН Серия Физическая. 2009. Т. 73. №2. С. 187-190.

41. Гапонов Ю.В., Лютостанский Ю.С. Гигантский Гамов-Теллеровский резонанс в нейтронно-избыточных ядрах. Ядерная Физика. 2010. Т. 73. № 8. С. 1403-1417.

42. Лютостанский Ю.С., Ляшук В.И., Панов И.В. Расчеты образования трансурановых элементов в интенсивных нейтронных потоках в адиабатических условиях. Известия РАН. Сер. Физическая. 2010. Т. 74. №4. С. 542-546.

Подписано в печать 14.02.2011. Формат 60x90/16 Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,25 Тираж 95. Заказ 28

Отпечатано в НИЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

На правах рукописи УДК 539.12

05201151500

Лютостанский Юрий Степанович

Гигантский Гамов-Теллеровский резонанс и нейтронно-избыточные ядра

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени доктора физико - математических наук

Москва-2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................4

ГЛАВА I. ГАМОВ-ТЕЛЛЕРОВСКИЙ РЕЗОНАНС И НЕЙТРОННО-ИЗБЫТОЧНЫЕ ЯДРА - ЭТАПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Развитое представлений о Гамов-Теллеровском резонансе.............17

1.2. Методы описания зарядово-обменных возбуждений,ядер..............24

1.3. Исследование ядер, удаленных от области стабильности.............. 29

1.4. Развитие теоретических представлений о структуре и распадах нейтронно-избыточных ядер..................................... 35

1.4.Гамов-Теллеровский резонанс — связь проблем ядерной физики и астрофизики . 42 ГЛАВА П. ГИГАНТСКИЙ ГАМОВ-ТЕЛЛЕРОВСКИЙ РЕЗОНАНС И ВИГНЕРОВСКАЯ 8и(4) СИММЕТРИЯ

2.1. Микроскопическое описание Гамов-Теллеровского резонанса..........45

2.2. Модельное описание коллективных изобарических состояний..........52

2.3. Силовая функция бета-распада............................59

2.4. Гамов-Теллеровский резонанс и вигнеровская 811(4) симметрии в ядрах.....63

2.5. Краткие выводы по главе П..............................66

ГЛАВА Ш. ГАМОВ-ТЕЛЛЕРОВСКИЙ РЕЗОНАНС И ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ БЕТА-РАСПАД НЕЙТРОННО- ИЗБЫТОЧНЫХ ЯДЕР

3.1. Гамов-Теллеровский резонанс и периоды полураспада нейтронно-избыточных ядер.............................................68

3.2. Возможные бета-задержанные процессы......................71

3.3. Эмиссия запаздывающих нейтронов.........................74

3.4. Мультинейтронная бета-задержанная эмиссия...................77

3.5. Запаздывающее деление................................80

3.6. Термоядерные взрывы и запаздывающее деление................. 83

3.7. Краткие выводы по главе III..............................89

ГЛАВА IV. КОРОТКОЖИВУЩИЕ НЕЙТРОННО-ИЗБЫТОЧНЫЕ ЯДРА

4.1 Метод описания структуры и свойств ядер вблизи границы

нейтронной стабильности...............................90

4.2. Новая область деформации нейтронно-избыточных ядер..............93

4.3. Свойства ядер от кислорода до никеля расположенных вблизи

границы нейтронной стабильности..........................98

4.4. Слабосвязанные ядерные системы вблизи границы нейтронной стабильности . 102

4.5. Краткие выводы по главе IV.............................105

ГЛАВА V. НЕЙТРОННО-ИЗБЫТОЧНЫЕ ЯДРА И ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДЕ

5.1. Нуклеосинтез в медленных и быстрых ядерных процессах............106

5.2. Математическое моделирование процесса нуклеосинтеза............109

5.3. Скорости протекания процесса нуклеосинтеза...................113

5.4. Роль эмиссии запаздывающих нейтронов в процессе быстрого нуклеосинтеза .117

5.5. Определение возраста Галактики методами ядерной астрофизики........119

5.6. Краткие выводы по главе V.............................125

ГЛАВА VI. НЕЙТРОННО-ИЗБЫТОЧНЫЕ ЯДРА В НЕЙТРИННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

6.1. Процесс захвата нейтрино в галий-германиевом и йод-ксеноновом детекторах и возможность использования этих детекторов в реакторных экспериментах. ... 126

6.2. Литиевый конвертор реакторных нейтронов в антинейтрино..........133

6.3. Концепция интенсивного источника нейтрино на базе мощных ядерно-физических установок..........................................139

6.4. Нейтринная диагностика при аварийных ситуациях на АЭС...........143

6.5. Краткие выводы по главе VI.............................146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................148

ЛИТЕРАТУРА......................................153

ВВЕДЕНИЕ

1. Исследование гигантских резонансов — высоковозбужденных состояний ядер высокой степени коллективности — представляет большой интерес для физики ядра. Наряду с хорошо изученным гигантским дипольным Е\-резонансом, открытым еще в середине 1940-х годов [1,2], к настоящему времени открыты и активно изучаются ре-зонансы электрического типа — монопольный, квадрупольный и ряд других, а также резонансы магнитного типа (см. [3,4]). Все эти состояния связаны с нейтральной (по заряду) ветвью коллективных возбуждений, яд ер и дают важную информацию о структуре ядер и свойствах ядерной материи. Наряду с нейтральной, известны и заряженные ветви возбуждений ядер такие как аналоговый (АР) — изоспиновый резонанс и гигантский Гамов-Теллеровский резонанс (ГТР) - коллективное состояние спин-изоспинового типа.

Начало экспериментальному и теоретическому исследованию зарядово-обменных возбуждений в атомных ядрах положило открытие аналогового резонанса в (р,п)-реакции в-1961 году [5,6]. Появилась.возможность объяснять подавленность разрешенных р-переходов (Фермиевских и Гамов-Теллеровских) влиянием соответствующих резонансов [106]. Гигантский ГТР был экспериментально обнаружен в 1975 году в США [7,8]. За несколько лет до этого проводились теоретические исследования зарядово-обменных возбуждений и первые расчеты 1970-74 годов, энергий и матричных элементов ГТР [101-105] представлены в настоящей работе. Эти расчеты были выполнены в рамках теории конечных ферми-систем (ТКФС) А.Б. Мигдала [9] и, как показано в настоящей работе, довольно хорошо описывают, полученные позже экспериментальные данные. Зарядово-обменные возбуждения не только определяют распадные характеристики ядер, такие как период полураспада Т\а , вероятности эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления, но и связаны с фундаментальными свойствами ядерного взаимодействия.

Если нейтральная ветвь возбуждений ядра А{№,2) отвечает состояниям того же ядра и проявляется, прежде всего, в у-переходах и реакциях неупругого рассеяния леп-тонов и нуклонов, идущих без изменения заряда ядра, то заряженные ветви коллективных возбуждений с зарядами частично-дырочной пары АО=± 1 отвечают возбужденным состояниям-ядер-изобар А(И-А£?, Ъ^ЬЮ) и проявляются в р-переходах ядер и в соответствующих реакциях перезарядки, например (у,е), (р,п), (п,р), (3Не,Т), (Т,3Не), (б1л, ^Не) и др. (см. рис. 1). Состояния, характерные для заряженных ветвей, возбуждения, называют изобарическими состояниями (ИС) ядер. Интерес к исследова-

нию зарядово-обменных возбуждений и гигантских резонансов не ослабевает, регулярно проводятся международные конференции и симпозиумы.

Рис. 1. Нейтральная (AQ=0) и заряженная (AQ =±1) ветви возбуждения ядер и их частично-дырочная интерпретация.

После того как на микроскопическом уровне с учетом коллективных зарядово-обменных состояний научились рассчитывать распадные характеристики ядер, разработанные теоретические методы стали применять для прогнозирования свойств ядер с неизвестными схемами распада. Наиболее интересным было исследование экзотических ядер и, в первую очередь - ядер, удаленных от области бета-стабильности. Формирование нового направления — исследования ядер, удаленных от области бета-стабильности, начато в конце 1960-х - начале 1970-х годов с развитием on-line методик выделения короткоживущих ядер в экспериментах на пучках тяжелых ионов. Такие «изоль-системы» заработали как за рубежом, так и у нас в ОИЯИ (Дубна) и ЛИЯФ (Гатчина). Уже в 1966 году в Швеции (Lysekil) собралась первая международная конференция по удалённым ядрам с интересным названием: «Зачем и как должны мы изучать ядра удалённые от линии стабильности (Why and How Should We Investigate Nuclei Far Off the Stability Line.)» [10]. В дальнейшем международные конференции, посвя-

щенные исследованиям удалённых ядер, стали проводиться регулярно в разных странах. Так с 1970 по 1987 гг. было проведено 5 таких конференций [11-15].

Обзор результатов исследований 1960-х годов был дан в статье К.Я. Громова и Б.С. Джелепова в 1969 г. [16] и позже в 1972 году была издана книга А.И. Базя, В.И. Гольданского, В.З. Гольдберга и Я.Б. Зельдовича [17], посвященная исследованиям ядер вблизи границ нуклонной стабильности. А уже в 1981 году вышла монография В.А. Карнаухова и Л.А. Петрова [18], обобщающая известный на то время-материал по удалённым ядрам. Чуть позже в 1983 году был опубликован обзор К Л. Громова и автора [118], где в основном рассматривались работы ОИЯИ и МИФИ по изучению удаленных ядер, и особое внимание уделялось нейтронно-избыточным ядрам и их роли в процессе нуклеосинтеза.

Вместе с экспериментальными исследованиями развивались и теоретические подходы к описанию нейтронно-избыточных ядер, сначала легких, а затем и более тяжелых. Теоретические прогнозы свойств таких ядер необходимы как на стадии планирования эксперимента, так и на стадии анализа его результатов. Эти прогнозы для широкого круга экспериментально неизученных нейтронно-избыточных ядер необходимы и при моделировании процесса нуклеосинтеза.

Исследование ядер, удаленных от области стабильности, является в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений ядерной физики. Строятся новые мощные экспериментальные установки и модернизируются старые, для того чтобы иметь возможность изучать ядра вблизи границ нуклонной стабильности, сами граничные ядра, новые тяжелые изотопы и сверхтяжелые элементы.

В отдельное направление фактически выделилось исследование ядер с большим избытком нейтронов, которое раньше имело сугубо прикладной характер, связанный с изучением короткоживущих ядер-продуктов деления. Особенную значимость этому направлению придала связь с ядерной астрофизикой, с теорией нуклеосинтеза, которая проявилась в середине 1980-х годов после разработки математической модели, описывающей образование нуклидов в интенсивных нейтронных потоках при астрофизических условиях [129,130]. В настоящее время проблемы астрофизики и физики экзотических ядер тесно переплетены, но для прогнозирования, свойств этих ядер необходим расчет коллективных зарядово-обменных состояний и, в первую очередь, гигантского ГТР.

Таким образом, в теоретическом плане естественно объединяются два направления связанные, во-первых, с изучением коллективных зарядово-обменных состояний

ядер и, во-вторых, с прогнозированием, свойств нейтронно-избыточных ядер. Исследования в рамках такого объединенного направления актуальны и имеют перспективу, связанную с решением проблем ядерной физики (получение, прогнозирование и изучение свойств новых нейтронно-избыточных ядер) и астрофизики (нуклеосинтез, космо-хронология и др.), а так же, для решения прикладных задач реакторной, нейтринной« физики и геофизики.

2: Проблемы ядерной астрофизики, такие как образование химических элементов в процессе нуклеосинтеза, определение возраста вещества Галактики, методом изотопных отношений и др. связаны с прогнозированием свойств и структуры нейтронно-избыточных ядер, а так же с описанием зарядово-обменных ядерных реакций, идущих с возбуждением коллективных ИС, в частности гигантского 1 ТР. Необходимо отметить, что связь между скоростями распада нейтронно-избыточных ядер и образованием химических элементов в нейтронных потоках в звёздах была известна давно с первых работ У. Фаулера, П. Хойла и др. [19,20] (см. так же Нобелевскую лекцию У. Фаулера [21]). Однако нейтронно-избыточные ядра играли в этих расчетах пассивную роль и формировали итоговые концентрации элементов- на стадии возвращения в область стабильности, т.к. использовались приближённые представления о равновесии по ядерным реакциям (п,у) и (у,п). В развитой в 80-е годы математической модели нуклеосинтеза [129-131] такие приближения уже не используются и нейтронно-избыточные ядра непосредственно принимают участие во всех ядерных реакциях, что сильно усложняет расчёты (см. обзоры автора [133-135]). Тем более расчёты усложняются в динамической модели нуклеосинтеза, когда внешние параметры зависят от времени в импульсном динамическом режиме. Разработанная математическая модель позволяет рассчитывать образование химических элементов в любом динамическом сценарии, в том числе в условиях ядерных и термоядерных взрывов, а так же с включением в расчеты интенсивных нейтринных потоков, например при взрывах сверхновых звезд.

3. Задача расчета сечений нейтринных реакций и спектров антинейтрино от работающих атомных реакторов тесно связана с прогнозированием свойств и распадов ней-тронно-избыточных ядер. Расчет сечений, как солнечных, так и галактических нейтрино невозможен без учета влияния ГТР через силовую функцию 5р(Е). Такие расчеты были проведены в рамках изложенного подхода, использующего ТКФС, и дали довольно хорошее согласие при сравнении с экспериментальными функциями 5р(Е) изотопов71 ве и шХе [165-167] — важных в нейтринных детекторах использующих галлий и йод. Это позволяет исследовать возможность использования детекторов солнеч-

ных нейтрино в реакторных экспериментах по поиску нейтринных осцилляции (Глава VI).

Задача расчета нейтринных спектров работающих атомных реакторов развивалась с начала 1980-х годов в связи с разработкой нейтринных детекторов в ИАЭ'им. И.В. Курчатова. При моделировании суммарного уе-спектра облученного топлива

ядерного реактора приходится ^ прогнозировать до 30% жестких уе -спектров отдельных короткоживущих ядер — продуктов деления с Е^ > 5 МэВ, т. к. схема распада* этих ядер не достаточно изучена или совсем неизвестна. Расчеты уе -спектров работающих атомных реакторов особенно важны при моделировании аварийных ситуаций. Возможности нейтринной диагностики при аварийных ситуациях на АЭС были рассмотрены в работах [188,189], где использовался настоящий метод расчета схем распада короткоживущих ядер и суммарных ус—спектров. С помощью нейтринной

диагностики можно определить энерговыделение в процессе разгона реактора, окончившегося взрывом, и наличие в разрушенном аппарате самопроизвольной цепной реакции после взрыва. Что касается аварии на Чернобыльской АЭС, то отсутствие самопроизвольной цепной реакции было подтверждено результатом сложных, продолжительных и опасных для персонала измерений, однако дистанционная нейтринная диагностика позволила бы это сделать гораздо быстрее и безопаснее.

Еще одним применением представленной методики расчета свойств нейтронно-избыточных ядер является развитие концепции интенсивного источника нейтрино на базе мощных ядерно-физических установок путем использования литиевого конверто-

7 Я

ра нейтронов в антинейтрино. Идея такого конвертирования за счет реакции 1л(п,у) 1л

с последующим распадом короткоживущего изотопа 81л (71/2 = 0.84с, =13.0 МэВ),

была высказана Л.А. Микаэльяном, П.Е. Спиваком и В.Г. Циноевым ещё в 1965 году [22] и в том же году докладывалась в ООН на III Международной конференции по использованию атомной энергии в мирных целях [23,24]. Впоследствии идея специализированного реактора-конвертора для нейтринных исследований развивалась в цикле работ автора совместно с В.И. Ляшуком (см. обзоры [182-185]). В результате этих работ было показано, что можно оптимизировать систему реактор-конвертор как по конструкционным особенностям, так и по химическому составу вещества конвертора, чтобы создать работающую экспериментальную установку, превосходящую по своей эффективности имеющиеся аналоги. Еще более эффективной оказалась концепция-интенсивного источника нейтрино на базе линейного протонного ускорителя, бланкета-

размножителя нейтронов и литиевого конвертора, работающего в статическом и динамическом режимах. Такое устройство похоже на разрабатываемые в настоящее время электроядерные установки, включающие интенсивные нейтронные источники на базе ускорителя, размножающую мишень и бланкет с радиоактивным веществом, предназначенные, в основном, для переработки! радиоактивных отходов в рамках национальных и международных программ^ (см. обзоры [25,26]). В настоящей работе предлагается заменить бланкет с радиоактивным веществом на литиевый конвертор «с целью получения интенсивного -потока. Таким* образом, в настоящее время, когда развиваются большие международные проекты по созданию интенсивных нейтронных источников для переработки ядерных отходов [187], становится реальным создание «нейтринной фабрики», предназначенной для научных исследований.

4. Цель работы состоит в развитии физики ядерных резонансов и других, коллективных зарядово-обменных состояний, процессов их возбуждения и распада, влияния на свойства ядер с большим избытком нейтронов; изучении структуры и распадов нейтронно-избыточных ядер, их поведения вблизи границы нейтронной стабильности и в процессах быстрого нуклеосинтеза, протекающего при взрывах звезд и в ядерных/термоядерных взрывах, изучении и моделировании этих процессов; процессов захвата нейтрино в веществе детекторов; а также процессов протекающих в ядерно-физических установках реакторного типа и сопровождающихся испусканием жесткого антинейтринного излучения, с целью разработки нового поколения мощных уе -источников для нейтринных экспериментов и диагностики внутриреакторных процессов.

5. Научная новизна работы.

А Впервые, задолго до эксперимента представлено наиболее полное описание гигантского Гамов-Теллеровского резонанса и других коллективных зарядово-обменных возбуждений яде