Властивості легких ядер, зумовлені а-кластерними конфігураціями

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В.Н.КАРАЗІНА

УДК 539.172

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

ВЛАСТИВОСТІ ЛЕГКИХ ЯДЕР,

ЗУМОВЛЕНІ -КЛАСТЕРНИМИ КОНФІГУРАЦІЯМИ

01.04.16 - фізика ядра,

елементарних частинок і високих енергій

Осташко Володимир Васильович

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті ядерних досліджень Національної академії наук України.

Офіційні опоненти:

доктор фіз.-мат. наук, професор Бережний Юрій Анатолійович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідувач кафедри теоретичної ядерної фізики;

доктор фіз.-мат. наук, професор Слабоспицький Ростислав Павлович, Інститут фізики високих енергій і ядерної фізики Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, заступник директора з наукової роботи;

доктор фіз.-мат. наук, професор Рудчик Адам Тихонович, Інститут ядерних досліджень НАН України, завідувач відділу фізики важких іонів.

Захист відбудеться 02.11.2007 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.12 Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна за адресою: 61108, м. Харків, пр. Курчатова, 31, ауд. 301.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, м. Свободи, 4.

Автореферат розісланий 01.10.2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Письменецкий С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Концепція кластеризації в атомних ядрах має дуже довгу і тривалу історію, що сягає аж початку ядерної фізики, навіть до відкриття нейтрона. Експериментальне спостереження альфа-розпаду дало підставу представити ядро саме як конгломерат альфа-частинок, що й було найпершою моделлю атомного ядра. Після відкриттям нейтрона, одночастинковий опис ядра, оснований на концепції середнього поля, став домінуючим. Але, за останні кілька десятиліть, було знайдено багато оригінальних властивостей атомних ядер, що пов'язані, в тій чи іншій мірі, з проявом рис однієї, як майже окремо виділеної, чи комплексу з декількох, -частинок у атомних ядрах, що мають рівне і парне число протонів і нейтронів. (Такі ядра отримали узагальнюючу назву -(self)-conjugate ядра, і найбільш повний переклад назви яким можна запропонувати як -внутрішньодзеркальні ядра.) Експериментальні дослідження початку 60-х років (E. Almqvist, D. Bromley, and J. Kuehner та ін.) показали, що -частинковими станами є збуджені стани, енергетичне положення і властивості яких пов'язані з порогами відкриття -частинкових каналів реакції чи розпаду на можливі -частинкові ядра (діаграми H.Ikeda, 1968). Час ядерної взаємодії, що відповідав таким резонансам і оцінений з їх ширини, був на межі між часовими характеристиками прямих процесів і утворення компаунд-системи. Прояви -частинкових властивостей ядер, в принципі, виглядали як прояв рис ядерної моделі рідкої краплини, яка з моделі з невизначеними (умовними) параметрами, перетворювалася в модель більш слабковзаємодіючих між собою, але конкретних, сильнозв'язаних, високосиметричних стабільних структур, якими є ядро . Найбільша енергія зв'язку на нуклон, найвищий перший збуджений стан серед легких ядер, сильна відштовхуюча -взаємодія на малих відстанях, створюють умови (перепони) проти згортання -частинкових утворень в компактні оболонковоподібні нуклонні конфігурації. Такі підстави привели до кардинального перегляду -частинкових моделей вже на мікроскопічних принципах.

Сучасні експериментальні і теоретичні дослідження в цьому напрямку (W. von Oertzen, M. Freer, Y. Kanada-En'yo, H. Horiuchi та ін.), показали, що утворення кластерів (-частинка та більш складні -частинкові комплекси) є фундаментальною рисою ядерної багаточастинкової динаміки, що існує одночасно з процесами в середньому полі. Кластерна та оболонкова теорії ядра мають взаємне підтвердження одна одній всередині своїх теорій. Але, стосовно легких ядер, і це принципово, лише кластеризація дає пояснення їх станів, які не можуть бути відтворені в рамках оболонкових моделей. Саме кластерні ефекти є основою властивостей нейтроннозбагачених ядер, теоретичні розрахунки яких стимулювали активні експериментальні дослідження.

Актуальність теми. Сучасні кластерні теорії обґрунтовують, передбачені раніше майже інтуїтивно, такі асоціативні поняття з атомної фізики як „ядерні молекули”, валентні нейтрони і ядерні молекулярні орбіталі, інтерпретують відповідні ротаційні смуги збуджених рівнів ядер. Кластерні теорії ядра передбачають існування не тільки бікластерних утворень в легких ядрах, але конфігурацій з більшим ступенем деформації, аж до екстремальних з точки зору компактності ядерної речовини, майже лінійних, які достовірно не ідентифіковано і які остаточно не заперечені поки що експериментально. В той же час, є ряд експериментально спостережених явищ, які за суттю та силою прояву, повинні бути віднесені до колективних явищ з ознаками -кластерних, але які не мають інтерпретації в сучасних (мікроскопічних) кластерних теоріях. Наприклад, експериментальні дані (поки що поодинокі) про резонансну взаємодія в процесах за участю -частинок та -кластерних ядер в області енергій, що відповідають високим енергіям збудження складених (композиційних) систем (С. Bremer, 2002; C.J. Metelko, 2003). (Застосування додаткової назви „композиційні” тут і далі уточнює, що такі стани можуть характеризуватися великими деформаціями і механізми їх утворення досліджуються.) Також, саме в останні роки, постало питання про можливу стійкість ядерних систем, побудованих на збуджених станах кластерів та/чи з більш складних, ніж -частинка, кластерних утворень (М. Freer та ін.). Зараз починається експериментальне та теоретичне дослідження кластерних ефектів в околі ядер зі зменшеним на одиницю числом протонів чи нейтронів (T. Kawabata, 2007). Це поле дослідження зводиться до більш глобального питання - чи можуть розглядатися тринуклонні системи та , які зовсім не мають збуджених станів у порівнянні з властивостями -частинки, кластером в ядрі, чи це просто „сума” „валентних” окремих нуклонів по відношенню до -кластерних конфігурацій в ядрі.

Відома (накоплена) на початок 90-х років експериментальна інформація про властивості збуджених станів ядер отримана, в абсолютній своїй більшості, з одновимірних (кінематично неповних) експериментів. З порівняння перерізів реакцій одно- та багаточастинкових (кластерних) передач, в яких реалізовувалися досліджувані рівні ядер, було зроблено висновки про механізми утворення цих станів. За таким методом відібрано, до тієї чи іншої кластерної побудови і відповідних ротаційних смуг, ряд збуджених станів легких ядер і, зокрема, ізотопів берилію, не спостерігаючи цих станів, як резонансів взаємодії підсистем (кластерів) в ядерних процесах, де безпосередньо ідентифікуються ці підсистеми.

Тому, дослідження ядер саме в експериментах, які можуть дати найбільш однозначну та достовірну інформацію про кластерні властивості ядер, якими є, в основному, кінематичні повні експерименти, багатостороннє дослідження широкої області збуджень найбільш легких ядер, правильна теоретична інтерпретація властивостей яких є найбільш простою і, в той же час, є обов'язковою умовою перевірки адекватності теоретичних підходів, являється важливою і актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які склали зміст дисертації проведено в рамках виконання Державних науково-дослідних тем відділу ядерних реакцій Інституту ядерних досліджень НАН України, де автор був виконавцем та відповідальним виконавцем, зокрема наукових тем „Вивчення структури ядер за допомогою ядерних реакцій” (№ ДР 01.9.10.033640, 1991 - 1995 рр.), „Вивчення розпадних властивостей короткоживучих ядерних систем та елементарних частинок” (№ ДР 0197U016414, 1996 - 2000 рр.), „Дослідження властивостей екзотичних ядерних систем та елементарних частинок в багаточастинкових процесах” (№ ДР 0101U000418, 2001 - 2003 рр.), „Дослідження малонуклонних, кластерних та нестабільних ядерних систем” (№ ДР 0104U003886, 2004 - 2006 рр.).

Частина експериментальних досліджень була виконана на ізохронному циклотроні У-240 Інституту ядерних досліджень НАН України, а частина на прискорювачах Південної ядерної лабораторії (м. Катанія) Національного інституту ядерної фізики Італії, де автор працював на запрошення, як виконавець тем.

Мета і задачі дослідження. Основною метою роботи є дослідження властивостей легких атомних ядер, що зумовлені -кластерними конфігураціями, в широкому діапазоні енергій збудження.

Для досягнення цієї мети потрібно було вирішити наступні задачі:

- розробити та впровадити спеціальні експериментальні методики для проведення ядерно-фізичних експериментів на пучках заряджених частинок прискорювачів. Серед них - створити методики для проведення кінематично повних експериментів з застосуванням позиційночутливих детекторів та виконання експериментів з використанням детектора з надчистого германію для реєстрації заряджених частинок;

- провести виміри кутових розподілів перерізів, диференційних перерізів для окремих кутів та подвійних диференційних перерізів вибраних розсіянь та реакцій в області енергій, де досліджуване ядро чи відповідна йому за складом -кластерна конфігурація є залишковою, або складеною (композиційною), чи проміжною системою досліджуваного ядерного процесу;

- розробити алгоритми та створити комп'ютерні розрахункові коди для аналізу енергетичних залежностей даних, отриманих в експериментах. Зокрема, програми фазового і -матричного аналізу, інші, та провести аналіз експериментальних даних з метою отримання енергетичної та, по можливості, спектроскопічної інформації про резонанси досліджуваних систем та збуджені стани ядер;

- на основі отриманого в роботі експериментального матеріалу, разом з узагальненням іншої експериментальної інформації, результатів та передбачень відповідних теоретичних моделей, зробити висновки про кластерні властивості досліджуваних ядерних систем та механізми утворення відповідних станів.

Методи дослідження - експерименти на пучках заряджених частинок, в тому ряду, кінематично повні експерименти і експерименти на збігах, та безмодельні теоретичні методи аналізу енергетичної залежності різних експериментально спостережуваних величин.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі виконаних унікальних експериментів на пучках заряджених частинок і легких іонів та розроблених методик аналізу, в роботі отримана нова або уточнена існуюча інформація про властивості легких атомних ядер. Зроблено висновки про фізичну природу та механізми утворення збуджених станів легких ядер, що мають -кластерну конфігурацію, зокрема:

- вперше експериментально спостережено високозбуджені стани ядра , що лежать вище порогу повного розвалу та механізми утворення яких пов'язані з властивостями -конфігурацій;

- вперше виконано недискретне по енергії дослідження спектрів збуджених станів ядер та як резонансів системи та в області енергій збуджень до ~ 20 та 30 МеВ в кінематично повних експериментах та відповідно; ідентифіковано ряд нових збуджених станів цих ізотопів, уточнено можливі канали розпаду відомих рівнів;

- показано, що в спектрі збуджених станів систематизуються ротаційні смуги рівнів, утворюючі рівні яких, можуть бути пов'язані зі збудженням -частинки;

- вперше виконано кінематично повне експериментальне дослідження, за яким встановлено зв'язок між властивостями ядра як конфігурацій і та типом орбіти валентного нейтрона в тричастинковій моделі ядра (два -кластери з валентним нейтроном);

- вперше експериментально показано існування високозбуджених станів ядер берилію з  = 7 - 9;

- показано прояв властивостей структури (конфігурації) як станів ядра , вперше ідентифіковано смуги ротаційних рівнів в області енергій збудження 36 << 51 МеВ та вперше відмічено ефект, що можна характеризувати як „розщеплення” ротаційної смуги рівнів;

- в широкому інтервалі енергій отримано значення диференційних перерізів, кутових розподілів перерізів та інша експериментальна інформація про взаємодію частинок, що відповідають складеній (композиційній) системі з атомними масам = 7,8;

Для отримання відзначених результатів були створені відповідні експериментальні установки та методики, що дозволяли проводити кореляційні, в тому числі, і кінематично повні експерименти та застосовувати багатодетекторні системи реєстрації з позиційночутливих детекторів та детекторів із зовнішнім охолодженням. Для аналізу отримуваної експериментальної інформації розроблено ряд програмних модулів: програми фазового і -матричного аналізу, програми розрахунку ефективності реєстрації багаточастинкових ядерних процесів багатодетекторними системами, тощо. Вперше запропоновано методику урахування змінності експериментальної роздільної здатності відносної енергії пари частинок при аналізі енергетичних спектрів, що отримуються в кореляційних експериментах. Вперше показано методику правильної оцінки похибок фазових зсувів та енергетичних параметрів резонансів з фазового та -матричного аналізу і ін.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в роботі результати є новою експериментальною інформацією про властивості легких ядер та будуть важливими для розуміння механізмів ядерних процесів за участю цих ядер та перевірки відповідних теоретичних моделей. Абсолютна більшість експериментальних даних по перерізам розсіювань легких ядер та реакцій за їх участю отримані вперше в досліджуваній області енергій. Виконані кореляційні експерименти, в тому числі і кінематично повні експерименти, є унікальними по застосованому експериментальному обладнанню, яке включало в себе багатодетекторні реєструючи системи з широкими кутовими захватами, що дозволило підвищити достовірність отримуваної інформації та однозначність зроблених висновків.

Створені, для аналізу експериментальних даних, розрахункові коди Монте-Карло розрахунків ефективності (реєстрації) системи детектування, фазового та -матричного аналізу і ін., та відпрацьований досвід їх застосування, використовуються в подібних дослідженнях. В роботі показана та доведена обов'язковість використання методу „” при оцінці похибок фазових зсувів у фазовому та -матричному аналізі для встановлення правильної енергетичної залежності фазових зсувів та параметрів резонансів. Запропонована в роботі методика урахування змінності (кінематичної залежності) експериментальної роздільної здатності по відносній енергії пари частинок, що визначається в кореляційних експериментах, дозволяє правильно інтерпретувати результати експериментів.

Частина з отриманих в роботі результатів про параметри збуджених станів включена в офіційні міжнародні компіляційні збірники з властивостей легких атомних ядер.

На захист виносяться наступні результати роботи:

1. Отримана експериментальна інформація про взаємодію легких ядер та частинок в широкому діапазоні енергій для складених (композиційних) та залишкових систем з масою  = 7, 8, 9.

2. Результати по дослідженню спектра збуджених станів ядра в області енергій до  ~ 30 МеВ, отримані з -матричного і методом Паде-наближення аналізу енергетичної залежності фазових зсувів пружного розсіяння та з перших кінематично повних експериментів .

3. Результати фазового аналізу пружного розсіяння , отримані кутові розподіли і функцій збудження реакцій , і , результати кінематично повних експериментів та висновки про властивості ядра в області енергій збуджень до  ~ 60 МеВ, що пов'язані з відповідними кластерними конфігураціями.

4. Експериментальні результати по ідентифікації в спектрі збуджених станів ядра ротаційних смуг рівнів, що відповідають та конфігураціям.

5. Експериментальні результати по дослідженню властивостей ядра , що відповідають конфігурації та ідентифікація відповідних ротаційних смуг рівнів та їх властивості.

6. Розроблені та впроваджені експериментальні методики, серед яких, застосування детектора з надчистого германію для реєстрації заряджених частинок, позиційночутливих детекторів нового типу та відповідні системи обробки і аналізу експериментальних результатів.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто було вибрано тему дослідження. Особистий внесок здобувача полягає у виборі та постановці конкретних задач дослідження, розробці та налагоджування експериментальних методик, виборі, створені та застосуванні методик аналізу експериментальної інформації. (Частина експериментальних даних по дослідженню спектра збуджень ядра у пружному розсіянні та реакції отримані у співавторстві з В.Н.Уріним. Задача з дослідження кластерної структури була запропонована проф. В. фон Ерценом (Німеччина).) Проведення експериментальних вимірювань, матеріали яких ввійшли до дисертаційної роботи, розробка та налагоджування для них експериментальних установок та детекторних систем, підготовка систем збору експериментальної інформації виконувалися колективом співавторів за особистої участі здобувача. Весь експериментальний матеріал, що включено до роботи, опрацьовано особисто здобувачем. Автором особисто створено всі програмні коди та виконано весь обсяг розрахунків та аналізу, що включені в роботу. Автор безпосередньо брав участь в інтерпретації та обговоренні експериментальних даних, а також у підготовці до опублікування рукописів статей, в яких автору належить вирішальна роль при отриманні експериментальних результатів, що виносяться на захист у дисертаційній роботі. Включені до дисертації результати, що опубліковані у працях зі співавторами, також одержані автором.

Усі найбільш важливі результати дисертації, перераховані у висновках отримані здобувачем особисто.

Апробація роботи та публікації. Результати дисертаційної роботи доповідались та були представлені на 30-й, 33-35-х, 37-й, 39-й, 41-й Міжнародних конференціях з ядерної спектроскопії та структури атомного ядра (1980, 1983- 1985, 1987, 1989, 1991); на 7-й Міжнародній конференції з нуклон-нуклонної структури (м. Страсбург, Франція, 2000), 3-й Міжнародній конференції з екзотичних ядер та атомних мас (ENAM2001, Фінляндія, 2001); 3-й конференції з фізики високих енергій, ядерної фізики та прискорювачів (м. Харків, 2005); 6-й Міжнародній конференції з ядерної та радіаційної фізики (м. Алма-Ати, 2007), наукових семінарах та щорічних (1999, 2003, 2004 рр.) наукових конференціях Інституту ядерних досліджень НАН України, на семінарах Інституту ядерних досліджень РАН (Росія), наукових семінарах Південної Національної лабораторії Національного Інституту ядерної фізики (м. Катанія, Італія), щорічній конференції Національно інституту ядерної фізики Італії (м. Павія, Італія, 1999), наукових семінарах Інституту теоретичної фізики НАН України та кафедри ядерної фізики Київського національного університету ім. Т. Шевченка.

Всього за матеріалами дисертації опубліковано 47 робіт, з них - 22 у фахових наукових журналах. Список робіт наведений у кінці автореферату.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків (матеріал викладено в хронологічній послідовності виконаних експериментів, що показує причинність проведених досліджень та розвиток експериментальних можливостей і створених систем аналізу), чотирьох додатків та списку використаних джерел. Вона написана на 307 сторінках, включає 71 рисунок. Список використаних джерел містить 288 пункти.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ до дисертації дано обґрунтування актуальності вибраної теми дослідження. Сформульовані мета роботи та постановка конкретних задач. Відмічена новизна роботи, її наукове та практичне застосування. Пояснюється структура дисертації. Коротко представлено зміст роботи та основні результати кожного розділу, проінформовано про апробацію результатів дисертації на наукових конференціях та семінарах, особистий внесок автора, наведено основні результати дисертації.

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ коротко представлено сучасні теоретичні підходи, експериментальні методи та отримані результати і передбачення в дослідженні властивостей легких ядер, і зокрема, що пов'язані з кластеризацією.

Показано можливості результати різних теоретичних модедей в інтерпретації кластерних властивостей легких ядер та наведено результати розрахунків стосовно вибраних для дослідження ізотопів берилію та . Представлено основні положення та результати розрахунків, що отримані в моделях деформованих оболонок та методу Струтинського-Нільсона. Проаналізовані результати по інтерпретації та передбаченню властивостей легких атомних ядер в рамках мікроскопічних кластерних моделей атомного ядра. Це сучасні версії методу резонуючих хвиль та методу генераторних координат, метод антисиметризованої молекулярної динаміки, метод Монте-Карло розрахунків. Показано обмеження, внесені в методи розрахунків, та проаналізовано узгодження теоретичних описів кластерних властивостей легких ядер з відповідними характеристиками, отриманими в експерименті.

В розділі представлено також експериментальні методи дослідження функцій збудження ядерних процесів та способів отримання з них інформації про спектр збуджених станів відповідних ядерних систем.

У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ викладено результати дослідження області високих збуджень ізотопів берилію з 7 - 9 як складеної (композиційної) та/або залишкової системи в одновимірних експериментах.

Область високих збуджень ядра досліджувалася як функції збудження процесів пружного розсіяння та реакцій , та . Набори кутових перерізів цих процесів було отримано для енергій, що загалом відповідали області збуджень  ~ 30 - 60 МеВ. Всі експерименти виконувалися на ізохронному циклотроні У-240 Інституту ядерних досліджень НАН України.

Енергетична залежність перерізів пружного розсіяння аналізувалася в рамках фазового аналізу. Для досліджуваної області енергій існувало два набори фазових зсувів (A.D.Bacher, 1972; P.Darriualat, 1965). Один ( = 30 - 70 МеВ) - отриманий з енергетичної послідовності диференційних перерізів для обмеженого набору значень кутів, але з відносно малим енергетичним кроком, інший ( ~ 56 - 120 МеВ) - з кутових розподілів для шести значень енергії. Подібність енергетичної залежності фазових зсувів та коефіцієнтів поглинання з цих наборів є умовною, а для фази з = 2 вони суттєво відрізняються.

В роботі показано, що для адекватного порівняння величин фазових зсувів необхідно оцінювати їх похибку лише за класичним методом „”. Крім того, в роботі запропоновано методику врахування додаткових похибок експериментальних значень диференційних перерізів, які пов'язані з похибкою визначення кутового положення детектора. Це особливо важливо при аналізі кутових розподілів з різкими максимумами та мінімумами та, якщо, при вимірюванні кутового розподілу перерізу, використовувалися декілька детекторів.

В енергетичній залежності дійсних фазових зсувів не спостерігається ознак резонансу, хоча б якісно, як перегин. В той же час є інша ознака резонансів, як мінімуми в коефіцієнтах поглинання (рис.1). Це означає, що природа цих резонансів відмінна від резонансів, що відповідають пружній взаємодії двох -частинок. Енергетичні положення мінімумів і орбітальні моменти фаз вкладаються в ротаційну залежність (рис. 2). Значення вільного параметра  = 27,6 МеВ є близьким до енергетичного положення дипольного збудження -частинки. Також, значення практично збігається з положенням рівня з = 27,49 МеВ, унікального рівня за значенням власної ширини ~ 5 кеВ, як для такої енергії збудження і який має канали розпаду на частинки всіх можливих мас. Цей результат, на прикладі ядра показує, що в легких ядрах можливими є збуджені стани, механізмом утворення яких являється резонансна взаємодія між кластерними конфігураціями, одна з яких відповідає -частинці в збудженому стані. Такий же висновок паралельно зроблено в роботах по порівняльному дослідженню експериментальних спектрів збудження ізотопів літію та (T. Yamagata, 2006).

З метою дослідження високої області збуджень ядра , як композиційної системи з -частинкових і інших кластерних „складових”, було отримано в широкому діапазоні енергій кутові розподіли перерізів реакцій (=29,1, 35,0, і 47,8 МеВ), (=29,1 , 35,0, 40,5 і 44,6 МеВ) та при енергіях дейтронів  = 42,5 і 44,6 МеВ. В цілому, такий експериментальний матеріал, разом з нашими попередніми експериментальними результатами та результатами інших авторів перекривав область енергій збудження ~ 30 - 60 МеВ.

Аналіз енергетичної залежності перерізів вказаних процесів виконано розкладом по поліномах Лежандра. Інтегральний переріз процесу (, де  - параметр при в розкладі) має максимуми при енергіях, що відповідають енергії збудження ~ 50 та ~ 55 МеВ (рис. 3). Також, при цих енергіях є суттєва перебудова в енергетичній залежності зведених коефіцієнтів розкладу .

Енергетична залежність інтегрального перерізу і зведених коефіцієнтів з аналізу процесів та з виходом тринуклонних систем, що виконано для дослідження ролі „не -кластерів” у побудові збуджених станів , є нерезонансною - в межах статистичних похибок хід енергетичної залежності коефіцієнтів відтворюється поліномами першого чи другого ступеня від енергії. Присутність слабких змін на стиках енергетичних діапазонів, що досліджувалися в різних експериментах, в першу чергу, може пояснюватися неузгодженістю в абсолютизації даних.

В цілому, виконані дослідження функцій збудження різних процесів за участю ядер, які відповідають композиційній системі , показують, що в системі можлива резонансна взаємодія при високих енергіях збудження і навіть вище порогу повного розвалу на нуклони. Те, що така резонансна взаємодія спостерігається в процесах з, хоча б одним, -частинковим каналом, показує, що такі (збуджені) стани, в даному випадку для , пов'язані з проявом властивостей лише -кластерних конфігурацій.

Ядро є найбільш проблематичним з ізотопів берилію при проведенні теоретичної інтерпретації, в тому ряду і в кластерному підході, експериментально встановленого спектра збуджень, хоча є визнаною -структура його основного і перших трьох збуджених станів. Також, не проводився аналіз експериментальних фазових зсувів пружного розсіяння , як спінової структури , в області енергій 10 МеВ, який є необхідним для оцінки властивостей такої кластерної взаємодії при високих енергіях. ядро ізотоп кластерний берилій

В даній роботі вперше виконано дослідження високої області збуджень ядра  ~ 13 - 42 МеВ з використанням двох методів аналізу: -матричного аналізу та аналізу методом Паде-апроксимації. Аналізувалися фазові зсуви отримані в наших попередніх дослідженнях. Для досягнення стійкості підгонки, набір фазових зсувів був доповнений результатами інших робіт з області менших енергій. Аналіз проводився з заданою умовою факторизації -матриці на резонансну та потенційну складові. Коефіцієнти поглинання та дійсні фазові зсув потенційної складової -матриці підганялися поліномами першого або другого ступеня залежності від енергії. На рис. 4, для фаз з  = 9/2⁺ та 11/2^-, що мають резонансний характер, показано експериментальні значення дійсних частин фазових зсувів та коефіцієнтів поглинання і підігнані енергетичні залежності. Обидва методи - -матричний аналіз та метод Паде-апроксимант - підтверджують резонансну взаємодію в -системі при високих енергіях збудження. Похибки отриманих параметрів резонансів (табл. 1) пов'язані з відносно великим енергетичним кроком набору експериментальних даних та неоднозначністю в моделюванні потенціальної складової фазових зсувів. Додаткова неоднозначність в результати, отримані за методом Паде-апроксимації, вноситься використанням тут тільки дійсних фазових зсувів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спостережена можливість реалізації в системі з  резонансів в області високих відносних енергій і, зокрема, резонансу неприродної парності , не має, поки що, теоретичної інтерпретації, окрім близьких значень енергій резонансів, отриманих в розрахунках алгебраїчної версії методу резонуючих хвиль (G. F. Fillipov, 1985). Наявність мінімуму в коефіцієнті поглинання (рис. 4) вказує, що механізми утворення таких станів може бути не „-кластерний”. Крім того, не виключена можливість двох, або і більше, резонансів пари з таким же орбітальним моментом в цій області енергій. Але підгонка з параметрами більш чим одного рівня в -матричному аналізі є нестійкою, із-за обмеженої кількості експериментальних точок по енергії.

Отримані результати по властивостях взаємодії показують необхідність „розширення” теоретичних досліджень в рамках мікроскопічних кластерних моделей в напрямку більших енергій та включення більш складних по кількості, чи інших по складу, кластерних конфігурацій для систем з  = 7.

В підрозд. 2.5. заключній частині другого розділі наведено результати дослідження спектрів збудження ізотопів берилію  = 7 - 10 в інклюзивних експериментах процесу зіткнень . Експеримент проводився з реєстрацією однозарядних та двозарядних продуктів реакцій -спектрометром з -детектором з надчистого германію, що давало високий „непрострільний” поріг реєстрації по енергії. В отриманих спектрах спостерігаються практично всі відомі збуджені рівні, що відповідають досліджуваній області енергій, в тому ряду і в області енергій багаточастинкових розпадів, а також ідентифіковано нові рівні з енергіями до ~ 40 МеВ. Оцінена ймовірність їх проявів, як енергетичних флуктуацій.

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ викладено результати експериментального дослідження властивостей ядра як кластерної конфігурації .

Теоретичними розрахунками для передбачаються мінімуми потенціальної енергії при різних типах і значеннях параметрів деформації, які, за профілем розподілу хвильових функцій, можуть трактуватися як різні просторові утворення зі складових -частинок, серед них, конфігурації типу: , та ін. Це розрахунки за методом Струтинского-Нільсона (G. Leander, 1975), -кластерні моделі ядра (S. Marsh, 1986), розрахунки за методом Хартрі-Фока (H. Flocard, 1984; A. Valor, 2000) . Починаючи з 60-х років, можливі стани експериментально досліджувалися як функції збудження і встановлено значне перекриття збуджених рівнів з резонансами в пружному розсіянні . Велику частину експериментальної інформації про отримано з функцій збудження і, зокрема, з фазового аналізу цього процесу. Але ясної і однозначної картини механізмів утворення спектра збуджених станів і зараз не встановлено (W. von Oertzen, M. Freer, Y. Kanada-En'yo, Nuclear clusters and nuclear molecules, 2006).

В даній роботі виконано дослідження властивостей ядра як конфігурації у чотиричастинковій реакції реєстрацією тричастинкових збігів.

Експеримент виконано на тандем-генераторі Південної національної лабораторії Інституту ядерної фізики Італії, на пучку іонів з енергією  = 109 МеВ. Для підвищення ефективності експерименту було впроваджено багатодетекторну систему реєстрації, яка включала -телескоп з позиційночутливим -детектором і іонізаційною камерою для ідентифікації важких іонів, та 48 позиційночутливих детекторів, зібраних в 4 збірки по 12 детекторів (система „”) для реєстрації кутових та енергетичних параметрів інших частинок реакції на збігах з . Великий загальний кутовий захват системи детекторів : ~ 50⁰ в площині реакції та  ~ (-10⁰  10⁰) в перпендикулярному напрямку, вибрані кутові захвати кожного детектора і міждетекторні кутові здвижки, забезпечували високу ефективність реєстрації ядра як двохчастинкового -резонансу та інші переваги у порівнянні з традиційними кореляційними методиками. Використовувалися позиційночутливі детектори нового типу, які вперше застосовувалися в експерименті, і для яких було розроблено алгоритми калібрування енергетичної та позиційної шкали реєстрації та визначення реальної товщини мертвого шару детекторів (технологічного покриття, нечутливого до енергетичних втрат). Врахування таких втрат енергії частинками, в залежності від напрямку її входження в детектор, виявилося суттєвим фактором якості отримуваної енергетичної інформації. Точність визначення енергії частинок складала в середньому по детекторах ~ 50 кеВ, а кута вильоту частинки ~ 0,05⁰. Накопичення експериментальної інформації проводилося „в навал”. Задаючим сигналом запису події був сигнал збігу подій в -телескопі.

Аналіз експериментальної інформації виконувався за допомогою графічної системи (Physics Analysis Workstation, 2001, CERN), в яку було вмонтовано розроблені програмні модулі, що забезпечували калібрування енергетичних та кутових шкал детекторів, кінематичні розрахунки, програмні модулі організації принципів відбору подій та аналізу одновимірних і багатовимірних подій.

Ідентифікація подій процесу проводилася методом спектроскопії резонуючих частинок (метод -спектра), як єдиним, реально можливим в експериментах з широким кутовим захватом детекторів. Енергія незареєстрованої (в даному випадку - четвертої) частинки розраховувалася за законами збереження енергії та імпульсу процесу. Відбір подій, що відповідали проводився по піку в околі ~ 90 кеВ в шкалі відносної енергії (рис. 5, а), відбір подій тричастинкової реакції - по належності їх піку в околі  = -7,3 МеВ на -спектрі цієї реакції (рис. 5, б).

На спектрах відносної енергії (див. рис. 5: в - представляє всі події, г - за виключенням тих подій, для яких відносна енергія в інших парах частинок ( і ) є в околі відомих резонансних значень) ідентифікується ряд піків, що відповідають збудженим станам ядра з енергіями, вказаними в табл. 2.

Розрахунок ефективності реєстрації системи детектування (неперервна лінія на рис. 5, в) проводився створеним розрахунковим кодом на основі Монте-Карло розрахунків, а багаточастинкова реакція розраховувалась як послідовність бінарних процесів з умовою ізотропного розльоту продуктів реакцій на кожному етапі.

Спіни збуджених станів визначалися з порівняння експериментального розподілу значення кута між напрямком пучка та лінією розльоту пари для подій, що є в межах піка цього резонансу (див. рис. 5, г) з аналогічною величиною, розрахованою по методу Монте-Карло, та додатково модульованою квадратом полінома Лежандра степені (W. D. M. Rae, 1988), при цьому . Отримані значення спінів приведено в табл. 2. (Такий безмодельний аналіз може застосовуватися до реакцій де вхідні та вихідні частинки мають нульовий спін). Енергії всіх ідентифікованих рівнів показано на рис. 6 горизонтальними лініями або стрілками до своєї точки по осі , якщо для цього рівня отримано значення спіну. Також представлено результати інших експериментів для станів (темні точки) але, серед яких, не всі є обов'язково кінематично повними експериментами чи відповідали парі ,

Вперше (див. рис. 6) експериментально спостерігається ефект, хоча і для обмеженої послідовності значень орбітальних моментів, що одна і та ж конфігурація може відповідати різним ступіням деформації, що проявляється як „розщеплення” ротаційної залежності .

Прямого теоретичного пояснення чи передбачення такого ефекту на сьогодні немає. Як непрямим поясненням цього може бути якісний висновок з недавно виконаних порівняльних розрахунків в рамках - та -ротаційних моделей для енергій ротаційної смуги основного стану , де експериментально встановлено два близькі по енергії рівні (М. Oi, 2005). В розрахунках показано, що зі збільшенням ротаційного спіну (кутового моменту) , змінюється параметр деформації , і на поверхні потенціальної енергії, в залежності від параметрів деформації, що отримана в -розрахунках, стану з  = 8 відповідає два мінімуми внутрішньої енергії системи при різних значеннях параметрів деформації. Отримані нами результати можуть мати аналогічне пояснення, але такий ефект потребує конкретної цільової перевірки в рамках довершених теоретичних підходів.

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ представлено результати дослідження -кластерних станів ізотопів берилію з  = 7, 8, 9 в області енергій збудження до  ~ 30 МеВ, отримані в кореляційних кінематично повних експериментах при дослідженні вихідних каналів процесу .

В рамках деяких теоретичних підходів та в ряді експериментальних робіт (див. розділ 3), показано, що в ядрі можуть проявлятися властивості не тільки одиночної -частинки, але й -частинкових комплексів. Крім того, існують теоретичні передбачення, що у нейтроннонадлишкових ядрах можуть існувати стани, властивості яких відповідають бікластерним конфігураціям, де складовими є ізотопи берилію, наприклад, , а кластерна конфігурація з участю може відігравати роль в утворенні станів нейтроннодифіцитних легких ядер, як . При цьому, відповідні ізотопи берилію можуть бути і в збуджених станах, про що отримано попередні експериментальні результати (М. Freer).

Кластерні теорії відтворюють відомі енергетичні положення відомих низьколежачих рівнів ізотопів берилію (існують проблеми для ізотопів з  = 6,7) і не дають ясних оцінок можливості кластерних станів в області високих збуджень, де відкриваються конкуруючі канали реакцій. Є проблеми з точки зору експерименту - до цього часу існують експериментальні невизначеності в спектрі збуджень ізотопів берилію. Наприклад, з 11 відомих рівнів до енергії збудження ~ 11 МеВ тільки для 6 рівнів однозначно встановлено спіни станів (D.R. Tilley, 2004); тільки з сучасними можливостями було виконано єдиний експеримент, де зафіксовано гамма-перехід для , хоча ці стани завжди інтерпретуються як стани однієї ротаційної смуги рівнів; існують неузгодженості в експериментальних спектрах збуджених станів дзеркальних ядер та (D.R. Tilley, 2002).

Експериментальна частина роботи даного розділу була виконана як кінематично повний експеримент на тандем-генераторі Південної національної лабораторії Інституту ядерної фізики Італії, на пучку ядер з енергію  = 89,8 МеВ. Система детектування була багатодетекторною з позиційночутливими детекторами. Принципи обробки початкової експериментальної інформації та відбору подій досліджуваних багаточастинкових процесів були аналогічними до застосованих в експериментах розділу 3.

Спектр збуджень ядра досліджувався в процесах, що відповідали бінарним збігам зареєстрованого за - методикою ядра з неідентифікованою частинкою в системі детекторів .

Застосування позиційночутливих детекторів уперше дало можливість реально оцінити експериментальну роздільну здатність (похибку) визначення відносної енергії пари частинок для кожної події (рис. 7). Як показано в даній роботі, похибки можуть відрізнятися більш ніж на два порядки навіть для однакових значень відносної енергії , що пов'язано з різними кінематичними умовами реєстрації частинок з кожної події.

В даній роботі вперше було запропоновано і реалізовано методику уніфікації цієї похибки при побудові одновимірних спектрів відносної енергії для інтерпретації результатів кореляційних експериментів. За цією методикою, кожна подія зі значенням відносної енергії та похибки , при побудові одновимірного спектра з енергетичним кроком „розмивалась” як , де параметр нормування визначався з умови . Так розраховується величина в кожній точці гістограми , що будується, і цими значеннями заповнюються відповідні комірки гістограми. Такий підхід дає право вибирати любий енергетичний крок -проекції, зберігаючи статистичну достовірність відліків в каналі.

В роботі також запропоновано новий метод оцінки нерезонансної („плавної”) складової в одновимірних енергетичних спектрах відносної енергії, що отримуються у багаточастинкових реакціях. Це набір кривих дво-тристепенової поліноміальної залежності від енергії: кількість кривих і опорні точки яких в експериментальному спектрі вибираються методом Монте-Карло, а параметри визначаються з підгонки до наявного експериментального спектра. Підставою застосування такої методики є те, що фазовий простір інших, фонових для досліджуваної реакції, тричастинкових процесів чи процесів з виходом більше чим три частинки, може бути представлений дво- тристепеновими функціями від енергії при використанні детекторів точкової геометрії. В широкозахватній геометрії експерименту „фізичний” фон будується на базисі (наборі) таких кривих. Зразок таким способом оціненого “фізичного” фону, який залежить від вибраного енергетичного діапазону, показують суцільні лінії на рис. 9, б і в. (Для спектрів процесу відносний вклад фону незначний)

Якість запропонованих методик аналізу експериментальної інформації з багаточастинкових експериментів демонструє порівняння спектру на рис. 8, а, що отриманий традиційним способом представлення - „рівнозначним”, незалежним від похибки, проектування всіх подій на вісь відносної енергії, зі спектрами, що отримані з урахуванням похибки кожної події (рис. 8, б та в).

Нанесені значення енергій біля вершин піків (див рис. 8, б та в ) відповідають значенням енергії збудження ядра , які отримані при підгонці спектрів відповідною кількістю кривих Лоренца. Значення в дужках інформує, що кількісна ознака якості підгонки експериментального спектра є практично однаковою з та без включення відповідної кривої Лоренца.

В роботі підтверджено -кластерну природу відомих рівнів з енергією  ~ 4,57, 6,7 та 9,2 МеВ та вперше ідентифіковано нові, раніше не спостережені в експериментах, рівні з енергіями  ~ (5,9), ~ 11,6, 13, (14,1), ~ 15,7 та 18 МеВ, що за умовами експерименту також мають -кластерний механізм утворення. Похибки визначення енергетичного положення резонансів бралися з підгонки, але, як не менші за величину енергетичного кроку спектра і, в даному випадку, складають  ~ 150 -200 кеВ.

Не підтверджено в роботі -кластерну природу утворення станів з  = 7,21 та ~ 10 МеВ. В роботі наведено непрямі підтвердження цим результатам з порівняння їх зі спектром збуджень дзеркального ядра та з іншими експериментальними даними.

Такі суттєві уточнення в інтерпретації механізмів утворення відомих станів ядра та розширення експериментального спектра кластерних станів в область більших енергій, що отримано в даній роботі в кінематично повних дослідженнях, можуть бути визначальними при побудові теоретичних підходів в поясненні механізмів кластерної -взаємодії.

Спектр збуджень ядра , що відповідали можливій резонансній взаємодії в конфігурації в області енергій збудження до  ~ 30 МеВ, досліджувався в тричастинковому процесі , що йшов через основний та збуджені стани . Такий процес, з метою ідентифікації спектра збуджених станів , досліджувався вперше.

Застосування саме позиційночутливих детекторів в експерименті з широкими кутовим захватом дозволило вперше в експерименті упевнено та явно спостерігати стан  = 11,3 МеВ ядра (рис. 9, а, вертикальна смуга), а не як оцінений вклад в одновимірному спектрі відносних енергій на фоні фазового простору супутніх тричастинкових процесів та резонансів в інших парах частинок.

На отриманих спектрах відносної енергії (рис. 9, б та в: темні точки з похибками - експериментальні спектри, суцільні лінії - нерезонансна складова, світлі точки - їх різниця) ідентифікуються піки, що відповідають збудженим станам ядра з  = 16,8 МеВ (в межах похибки це є рівень з 16,92 МеВ), 19,5 МеВ та спостерігаються резонанси при  ~ 26,5 і ~ 29 МеВ та, можливо, ~ 23 МеВ. Можливо, реалізуються також і інші збуджені рівні , але їх статистична забезпеченість є недостатня. В той же час, не спостерігається пік, що міг би відповідати стану при ~ 25,2 МеВ. В роботі наводяться докази, що цей рівень має іншу ніж -структуру, якщо критично оцінити силу його прояву в дійсній та уявній частинах фазових зсувів експериментального -пружного розсіяння (A. D. Bacher, 1972).

В спектрах відносної енергії з енергетичним кроком 50 кеВ, що відповідає процесу (рис. 9, б), який йде через збуджений стан  ~ 7 MеВ і має переріз на порядок більше, чим через основний стан, ідентифіковано новий вузький -резонанс при ~ 15,3 МеВ. В припущенні, що значення його спіну є , як найбільш ймовірного в цій області енергій збуджень, послідовність станів з ізотопічним спіном  = 0⁺: 15,3(), ~ 16,8() та 19,86() - систематизується в ротаційну смугу (рис. 10, верхня крива). Напівкласична, наближена оцінка розмірів -систем з порівняння величин моменту інерції дає відношення умовних характеристик лінійних розмірів систем як (15,3 МеВ)/(0,09 МеВ) ~ 1,5. Реалізація другої смуги рівнів з ізоспіном = 0 може відповідати наявності двох мінімумів в потенціалі -взаємодії, але строгість твердження потребує визначення спіну стану ~ 15,3 МеВ. Деякі з сучасних теоретичних розрахунків в рамках оболонкової моделі показують можливість існування такого набору рівнів для (Е. Caurier, 2001; L.H. de la Pena, 2001)).

При наведеній вище систематизації станів з ізоспіном  = 0, упорядковується інший рівень з енергетичного дуплету при  ~ 16,8(2⁺,1) та наступний за ним 17,64(1⁺,1), що, тепер, з великою ймовірністю можуть бути віднесені до перших одночастинкових станів конфігураційної структури , різниця енергетичних положень яких зумовлена спін-орбітальними силами. Така інтерпретація знімає питання змішування по ізоспіну рівнів з  = 16,6 та 16,9 МеВ, що підтримується не усіма теоріями.

Наявність стану з  ~ 15,3 МеВ може розв'язати проблему (не)узгодження даних по -розпаду та на рівні , що вирішується тільки при наявності „intruder state”, положення якого оцінюється як ~ 10 МеВ, але з похибкою такої ж величини (F.Barker, 1988; D.Tilley,2004)

Отримана в роботі нова експериментальна інформація про можливість існування „другої” ротаційної смуги рівнів з ізоспіном  = 0 дає систематизацію механізмів утворення станів ядра в області відкриття першого каналу реакції і такі властивості взаємодії можуть грати роль в побудові станів більш важких ізотопів берилію.

Ядро є найлегшим і найпростішим ядром, властивості якого розглядаються як властивості молекулярноподібних конфігурацій з валентним нейтроном, повнота і однозначність інформації по якому є важливі для перевірки сучасних теорій ядра.

В роботі одночасно досліджувалося обидва -кластерні канали розпаду : в тричастинковому процесі з реєстрацією ідентифікованого по заряду та масі на збігах з іншою частинкою, та розпад в канал у чотиричастинковому процесі , що визначався та , коли останній ідентифікувався як резонанс у спектрі відносних енергій двох -частинок.

Дослідження розпаду ядра в канал з ідентифікацією , як двох -частинок на збігах, є унікальним, а дослідження також є одним з перших, виконаних на базі сучасної експериментальної техніки з застосуванням позиційночутливих детекторів і методів аналізу, що викладені в розділі 3.

В реакції спостерігаються резонанси пари , що відповідають енергіям збудження  = 6,4; ~ 10,4; ~17,9; 27,4 МеВ (-розпад деяких з цих рівнів зареєстровано вперше). В реакції спостерігаються резонанси пари , відповідно, для  = 4,7; ~ 7; ~ (9,5); 13,5; ~ (15) ~ (25) МеВ. Визначені положення рівнів показано стрілками на рис. 11. Якщо статистична достовірність відповідних піків в експериментальному спектрі є на межі однозначності, то їх положення показано штриховими стрілками.

Ненульові значення спінів частинок вхідного і вихідного каналів не дозволяють застосувати методику визначення орбітального моменту відносного руху пар та , як у розділі 3. Але, на основі порівняння встановлених в роботі енергетичних положень резонансів з кожної реакції з відомою інформацією по збудженим станам , можна бачити, що резонанси в парі вкладаються в ротаційну смугу рівнів з проекцією спіну (рис. 11, а), які, в розрахунках по трицентровій моделі , відповідають молекулярноподібній конфігурації з нейтроном на -орбіті. Ідентифіковані стани в реакції , що відповідають властивостям конфігурації , також систематизуються в ротаційну смугу рівнів - з проекцією спіну , яка, в рамках тієї ж трицентрової моделі, відповідає -зв'язку валентного нейтрона (рис. 11, б). Експериментальні спектри відносної енергії показують, що резонансна взаємодія в системі можлива при =13/2, що перевищує теоретичні передбачення (P. Descouvemont, 2002)

Загалом, отримана експериментальна інформація систематизує пояснення механізмів утворення перших збуджених станів . Результат по систематиці показує, що складні трицентрові моделі, скоріше всього, можуть бути зведені до двоцентрових структур, один полюс якої представляє чисто -кластерні структури, а іншим може бути і нестабільна, у вільному стані, частинка. Також, досліджені спектри відносної енергії пар та показують, що можуть існувати мінімуми в енергії їх взаємодії і при більших швидкостях відносно руху.

У додатках наведено таблиці з числовими значеннями отриманих диференційних перерізів деяких досліджених реакцій та розсіянь.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі представлено результати експериментального дослідження властивостей легких ядер, що пов'язані з -кластерними конфігураціями. Зроблені висновки базуються на аналізі енергетичних і кутових залежностей перерізів різних реакцій, що досліджувалися в кінематично повних експериментах або як бінарні процеси та з застосуванням розроблених в роботі експериментальних методик і реалізованих методів аналізу. Ідентифіковано нові властивості легких ядерних систем, що пов'язані з -кластеризацією: