12 февраля 2021

Сотрудники ПИЯФ измерили нейтронное гало у изотопов углерода

ПИЯФ ПИЯФ

Физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ совместно с коллегами из Дармштадта и Милана измерили распределение материи внутри серии изотопов углерода. Физики получили характерные радиусы распределения материи в этих ядрах. Для ядра 15С наблюдается так называемый эффект нейтронного гало. Исследования велись методом обратного рассеяния на активной водородной мишени.

Мы уже рассказывали об исследованиях структуры ядерной материи, которые проводятся сотрудниками Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Так, в 2019 году физикам удалось измерить эффект протонного гало у легких ядер, в состав которых входит больше протонов чем нейтронов. Исследователи продолжают свою работу и в январе 2021 года журнал Nuclear Physics A опубликовал новую статью (Nucl. Phys. A 1008, 122154), в которой описаны результаты исследований структуры ядер углерода: 12С и 14–17С. Препринт этой публикации доступен на сайте arXiv.org.

Атомные ядра – очень маленькие объекты. Их линейные размеры составляют порядка нескольких фемтометров (1 фм = 10–15 м). Теоретическое описание атомного ядра является непростой задачей, так как ядра – суть квантово-механические объекты с большим (но конечным) числом степеней свободы, поэтому для их описания нужно использовать аппарат квантовой механики, но при этом возможности статистического усреднения могут быть весьма ограничены. Особенно это касается легких ядер. Однако, теория научилась рассчитывать параметры этих объектов в рамках модельных подходов. Это означает, что вычисления можно провести, выбрав класс ядер (или ядерных характеристик), для которого можно относительно безопасно пренебречь теми или иными аспектами строения этого микроскопического объекта. Для проверки результатов расчетов нужно сравнить их с экспериментальными данными. Лучше, если проверка проводится не на одном ядре, а на серии слегка отличных друг от друга ядер. Например, это может быть серия изотопов одного и того же химического элемента.  Изотопами называют ядра, характеризующиеся одинаковым зарядом, но разной массой. В их состав входит одинаковое число протонов (Z), но разное число нейтронов (N). Изучая характеристики серии изотопов, можно увидеть, как влияет на всю систему добавление одного нейтрона.

Именно такими экспериментальными измерениями занимаются сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Исследуемой характеристикой является распределение ядерной материи в лёгких ядрах. Параметры этого распределения можно измерять разными способами. Визитной карточкой нашего Института является метод активной мишени. В этом методе установка, наполненная водородом, выполняет сразу две роли: роль протонной мишени и роль детектора протонов отдачи. Идея использовать ионизационную камеру как активную мишень была впервые предложена научным руководителем ОФВЭ А.А. Воробьевым. Протоны выступают частицами-пробниками распределения нуклонов в ядре. При этом они (с точки зрения лабораторной системы отсчета) изначально покоятся, а ядро, которое необходимо исследовать, движется. Такие эксперименты называют измерениями в обратной кинематике.

Эксперимент, о результатах которого мы хотим рассказать, проводился в научном центре GSI (г. Дармштадт, Германия). Его схема приведена на рисунке. Пучок радиоактивных ядер, полученный при помощи системы ускорителей и сепараторов, направлялся на вход ионизационной камеры ИКАР, разработанной в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Камера была наполнена водородом под высоким давлением. Если внутри камеры происходил акт упругого рассеяния ядра на протоне, то протон отдачи вылетал почти перпендикулярно оси пучка, ионизуя атомы водорода на своем пути. На электроды внутри ИКАРа подавалось высокое напряжение, которое растаскивало образовавшиеся электроны и ионы. По сигналу на электродах определялась: точка рассеяния (ZV), энергия протона отдачи (TR) и угол его вылета (ΘR). Влетающие и вылетающие ядра, углы их рассеяния (ΘS) регистрировались системой сцинтилляционных счётчиков (S1-3) и многопроволочных пропорциональных камер (PC1-4). Дальше, по пути следования пучка стоял магнитный спектрометр, оснащенный дрейфовой камерой и толстой стеной из сцинтилляционных счётчиков. Общая схема постановки эксперимента приведена на рисунке 1.

Пучок ядер настраивается на конкретный изотоп, но в нем присутствуют и примеси. Чтобы избавится от них, нужно использовать критерии отбора нужных изотопов в пучке. Продемонстрировать чистоту отбора можно на двумерном распределении: энергия, оставленная ядром в сцинтилляционной стенке, – время пролета между счетчиками. Видно хорошее разделение различных изотопов ядер. В результате примесь неправильных изотопов в отобранных событиях сотавляла менее 0.1%.

Экспериментально измерялась зависимость вероятности рассеяния (сечение рассеяния) от квадрата импульса, переданного протону. Эта зависимость чувствительна к распределению вещества внутри атомного ядра, которое можно извлечь, опираясь на теорию рассеяния протонов на ядрах. Формы стабильных ядер похожи. Начиная с какого-то расстояния, плотность ядерной материи быстро убывает. Для нейтрон-избыточных ядер зависимость может быть другой, так как один или два валентных нейтрона формируют так называемое гало, то есть проводят много времени вдалеке от сердцевины (англ. core – сердцевина, кор) ядра. Именно этот эффект наблюдался для ядра 15C.

Определяющий вклад в эту экспериментальную работу внесли сотрудники Отделения физики высоких энергий Института. Приятно отметить, что в этой работе первыми авторами стали Александр Владимирович Добровольский и Герман Александрович Королев. В полный авторский список вошли и другие физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. 

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 три базовых экспериментальных установки - реакторы ПИК и ВВР-М и протонный ускоритель. В настоящее время ПИЯФ организационно подчинён Курчатовскому институту