При изучении сверхтяжелых водородов в ЛЯР ОИЯИ обнаружена новая мода ядерного распада

25.09.23 04:50

Получены новые данные по спектрам сверхтяжелых изотопов водорода ⁶H и ⁷H и обнаружен вариант спонтанного ядерного распада с одновременным испусканием четырех нейтронов. Сейчас ученые продолжают совершенствовать экспериментальное оборудование и готовиться к новым экспериментам.

 

На данный момент ученым известны семь изотопов водорода, среди которых в природе существуют три изотопа: стабильные протий ¹H (наиболее распространенный) и дейтерий ²H, а также радиоактивный тритий ³H с периодом полураспада ~ 12 лет. Все прочие изотопы водорода, ^4-7Н, были синтезированы в лабораториях – это нестабильные ядра, и время их существования измеряется в 10-22 – 10-24 секунды.

 

«Водород-6 и водород-7 изучают уже более сорока лет в различных научных центрах мира, однако непосредственно наблюдать эти ядра невозможно из-за слишком короткого времени жизни, возможно лишь зарегистрировать продукты их распада, что свидетельствует о резонансных состояниях этих ядер», — рассказал начальник группы детекторных систем ЛЯР ОИЯИ Андрей Безбах. Он сообщил, что группа ученых ЛЯР в экспериментах по получению сверхтяжелых водородов, проведенных в 2018 – 2020 годах и проанализированных к 2022 году, ближе всех подошла к пониманию свойств ядра ⁷Н.

 

Исследование имело целью изучение легких экзотических ядер водорода-6 и водорода-7, что играет принципиальную роль для понимания свойств других изотопов. «С помощью доступных радиоактивных пучков мы имеем возможность определять свойства тех легких экзотических ядер, которые нам доступны, проверять эти свойства и пытаться их интерпретировать. Накопленный опыт на относительно простых системах мы можем экстраполировать в область более экзотических ядер», — прокомментировал Андрей Безбах.

 

Ученый рассказал, что на протяжении вот уже более чем 40 лет сверхтяжелые изотопы водорода ⁷Н и ⁶Н являются одной из загадок ядерной физики и представляют повышенный интерес по ряду причин. Это самые нейтроноизбыточные системы, какие только можно себе представить: на один протон в ядре приходится 6 и 7 нейтронов соответственно. В ядре ⁷Н замыкается подоболочка p3/2 для изотопов водорода – больше нуклонов «поместить» на эту орбиталь невозможно, следовательно, в случае его обнаружения открываются новые возможности исследования оболочечной динамики в условиях исключительного дефицита протонов.

 

«Замыкание этой подоболочки в 7H также говорит о том, что существование достаточно долго живущих более тяжелых изотопов водорода крайне маловероятно. Это выходит за рамки существующих физических представлений и теоретических предсказаний», — рассказал ученый.

 

Кроме того, есть все основания полагать, что распад основного состояния ⁷Н имеет уникальную динамику – так называемый «истинно» 5-частичный распад ⁷Н → ³Н + 4n. При этом четыре нейтрона могут испускаться практически одновременно. Такая динамика распада подразумевает исключительно большие времена жизни, вплоть до того, что возможно существование новой моды радиоактивного распада — четырехнейтронной радиоактивности. Под большими временами жизни ⁶Н-⁷Н имеются в виду доли секунды, достаточные для того, чтобы зарегистрировать детекторами эти изотопы.

 

Первый доказанный случай такого варианта распада водорода-7 был получен в экспериментах на фрагмент-сепараторе Акулина-2 циклотрона У-400М в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ.

 

Попытки изучения свойств основного состояния ядра водород-7 неоднократно предпринимались ранее в ведущих мировых центрах, таких как RIKEN (Япония), GANIL (Франция), GSI (Германия). Однако эти попытки оставались безуспешными и не позволили сделать количественных заключений. При невысоком экспериментальном разрешении ~ 2 МэВ и более все ранее наблюдаемые в спектре ⁷Н структуры должны были сливаться в один непрерывный спектр, а слабо заселяемое основное состояние ⁷Н могло «тонуть» в фоновых событиях и событиях из первого возбужденного состояния.

 

В работах на установке Акулина-2 исследователи сумели достичь наилучшего на сегодняшний день разрешения эксперимента: для основного состояния Е ~ 2.2 МэВ ΔE составила ~ 1 МэВ (ПШПВ, полная ширина на половине высоты – разница между максимальным и минимальным значениями аргумента функции, взятыми на уровне, равном половине ее максимального значения).

 

Фрагмент-сепаратор Акулина-2 на ускорителе тяжелых ионов У-400М был запущен в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ в 2017 году. С его введением в строй поиск изотопа ⁷Н стал реалистической задачей — для исходного радиоактивного ядра-снаряда ⁸He с энергией около 26 МэВ/нуклон были получены интенсивности около 10⁵ частиц в секунду, что близко к рекордным мировым достижениям.

 

В 2018 году были начаты первые физические эксперименты с радиоактивными пучками 6Не, 8Не, 9Li, 10Be, 27S, а также продолжалось дальнейшее развитие экспериментальных методик с целью повышения светимости и энергетического разрешения экспериментов. 

 

На снимке: начальник группы Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Андрей Безбах занимается внедрением новых прецизионных детекторных систем на фрагмент-сепараторе ACCULINNA-2 (действующая нейтронная стенка), Фото ОИЯИ

Читайте также: