17 июня 2020

В ПИЯФ проведено измерение и теоретическое описание четно-нечетного эффекта в зарядовых радиусах экзотических изотопов меди

ПИЯФ ПИЯФ

Коллектив ученых, в том числе представляющих НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, опубликовал новейшие результаты исследований свойств экзотических ядер вблизи замкнутых протонных и нейтронных оболочек Z=28 и N=50. Статья опубликована в журнале Nature Physics в апреле 2020 года.

В общем случае зарядовые радиусы ядер увеличиваются с ростом атомного номера А пропорционально А1/3. Однако, по всей карте нуклидов, систематически наблюдается ситуация, когда нечетный по N изотоп имеет меньший зарядовый радиус, чем среднее значение радиусов двух соседних N-четных изотопов. Это и есть четно-нечетный эффект, теоретическое описание которого до сих пор вызывает значительные затруднения.

В данной работе сообщается о лазерно-спектроскопических измерениях зарядовых радиусов короткоживущих изотопов меди вплоть до очень удаленного от полосы стабильности 78Cu (Z=29, N=49) на установке ISOLDE (CERN). В результате этих исследований был установлен неожиданный и необъяснимый в рамках традиционных подходов факт: исчезновение четно-нечетного эффекта в радиусах изотопов меди при приближении к замкнутой нейтронной оболочке N=50. Такое поведение зарядовых радиусов никогда прежде не наблюдалось ни для одной изотопической цепочки.

Успех эксперимента стал возможен благодаря новому методу CRIS (Коллинеарная резонансная ионизационная спектроскопия), разработанному на ISOLDE. Он сочетает высокую эффективность, позволяющую производить измерения для экзотических ядер вблизи границы нуклонной устойчивости, с высокой точностью, без которой исследования столь тонкого эффекта, как четно-нечетные колебания размеров ядра, были бы невозможны.

Для теоретического описания экспериментальных данных были использованы расчеты в рамках новейших подходов: DFT (Density Functional Theory) с функционалом Фаянса и VS-IMSRG (Valence-Space In-Medium Similarity Renormalization Group). Особо стоит отметить расчеты по второй из упомянутых моделей: впервые было получено удовлетворительное описание энергий связи и радиусов для изотопической цепочки сравнительно тяжелых ядер на основе взаимодействия, сконструированного согласно эффективной теории поля, с параметрами, фиксированными исходя из условия описания свойств только легчайших ядер (A<5).

Показано, что данные по четно-нечетному эффекту в радиусах имеют принципиальное значение для построения последовательной и предсказательной теории ядра. В частности, обнаруженное расхождение теории и эксперимента (при N>44 для DFT и при 40<N<44 для VS-IMSRG) указывает на то, как именно следует усовершенствовать существующие теоретические подходы.

Необходимо подчеркнуть, что в большинстве экспериментов на установке ISOLDE для получения ионов радиоактивных изотопов используется метод резонансной ионизации в лазерном ионном источнике, впервые предложенный и использованный на установке ИРИС (Исследование Радиоактивных Изотопов на Синхроциклотроне) НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Метод CRIS, использование которого позволило получить обсуждаемые результаты, также является развитием метода резонансной ионизации, впервые примененного для измерения изменений зарядовых радиусов ядер на установке ИРИС.

«Этот метод был предложен для исследования ядер, лежащих близко к границе нуклонной устойчивости, где решающим является обеспечение изобарной чистоты пучков, т.е. селективной ионизации изотопов одного выделенного элемента, - поясняет один из соавторов статьи в журнале Nature Physics, старший научный сотрудник и заместитель заведующего Лаборатории короткоживущих ядер Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ Д.В. Федоров. - Обеспечить селективную ионизацию изотопов большого числа элементов может только метод лазерной резонансной ионизации, разработанный и с успехом применяющийся на установке ИРИС, а теперь и в других лабораториях».

Установка ИРИС работает «в линию» на пучке протонов синхроциклотрона СЦ-1000 в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ с 1975 года. В течение 45-ти лет ее непрерывной работы на ней проводятся исследования протонно- и нейтронно-избыточных ядер, удаленных от полосы β-стабильности. За это время исследовано более 300 ядер, причем 17 из них были получены впервые. Здесь же, на установке ИРИС были впервые применены наиболее эффективные методы лазерной спектроскопии, нашедшие свое применение и развитие на лазерно-ядерных комплексах ISOLDE, таких как RILIS и CRIS.

Сотрудники Лаборатории короткоживущих ядер ОФВЭ, работающие на установке ИРИС, принимают участие в международных проектах по исследованию ядер и уже в течение 20 лет активно участвуют и играют ведущую роль в лазерно-ядерных исследованиях, проводимых на ISOLDE (CERN).

Петербургский институт ядерной физики имени Б.П.Константинова (ПИЯФ) был основан в 1956 году как филиал знаменитого Ленинградского физтеха и в 1971 году стал уже самостоятельным институтом, носящим имя своего основателя. В институте проводятся фундаментальные научные исследования в области физики элементарных частиц и высоких энергий, ядерной физики, физики конденсированных сред, молекулярной и радиационной биофизики. Кроме того, ведутся исследования в прикладных областях, где применение самых передовых научных решений приводит к принципиально новым разработкам в области приборостроения, медицины и экологии. В институте действуют две базовых экспериментальных установки - реактор ВВР-М и протонный ускоритель. В настоящее время ПИЯФ организационно подчинён Курчатовскому институту