Поощрительной премией ОИЯИ за 2020 год за цикл работ по теме «Трехчастичная мягкая дипольная мода и ее приложение в астрофизике» был награжден коллектив авторов в составе: Л. В. Григоренко, Ю. Л. Парфенова (ЛЯР ОИЯИ), Н. Б. Шульгина (НИЦ «КИ» / ЛТФ ОИЯИ) и М.В. Жуков (Технический университет Чалмерса, Гётеборг, Швеция). От имени коллектива Наталья Борисовна Шульгина представила суть проделанной работы.
Теоретические результаты имеют особое значение в задачах ядерной астрофизики. Это связано с тем, что далеко не все нужные здесь величины могут быть получены или проверены в эксперименте. В частности, задачи о трехчастичных радиационных захватах не могут опираться на прямо измеренные сечения процессов. Их можно только пересчитать из обратных процессов трехчастичной кулоновской диссоциации модельно зависимым способом. Вызов, который стоит перед теорией в этой области – высокоточные расчеты без возможности прямой экспериментальной проверки.
Трехчастичные двухнейтронные и двухпротонные захваты в ядерной астрофизике становятся актуальны в условиях высокой температуры и плотности. Они реализуются на траекториях астрофизических r- и rp-процессов в ходе «взрывного» нуклеосинтеза. Сюда относятся нуклеосинтез при коллапсе кора сверхновых, столкновении нейтронных звезд, взрывное горение аккреционного водорода на поверхности нейтронных звезд и т.п. «Классические» подходы к трехчастичным нерезонансным радиационным захватам были развиты еще в 70-х годах и используются до сих пор. Эти методы по сути своей квазиклассические и в существенно квантовомеханических реальных ситуациях они могут давать непрогнозируемый результат. В представленном исследовании был разработан последовательный квантовомеханический подход к этому классу задач.
Экзотические ядра на границе стабильности часто имеют структуру с нейтронным или протонным гало. Электромагнитная Е1 диссоциация таких ядер имеет характер так называемой «мягкой дипольной моды» (МДМ). МДМ может интерпретироваться как отщепленная низкоэнергетическая часть гигантского дипольного резонанса, связанная с наличием разных радиальных масштабов в ядрах с гало. Опереться на эксперимент в низкоэнергетической области пока не удается, так как исследование обратных процессов кулоновской диссоциации ядер с двухнуклонным гало все еще находится на переднем крае эксперимента. Такие исследования проводятся в очень небольшом числе лабораторий, в частности, в GSI (Дармштадт, Германия), MSU (Мичиган, США) и в некоторых других лабораториях. В их число входит также ЛЯР ОИЯИ, где группой «АКУЛИНА» проводятся как экспериментальные, так и теоретические исследования. В этой лаборатории было впервые выдвинуто предположение о МДМ и уже опубликован целый ряд работ на эту тему. Следует подчеркнуть, что в ЛЯР созданы экспериментальные условия по всестороннему изучению экзотических ядер и их свойств в широком диапазоне масс ядер, удаленных от границы стабильности.
Теоретические результаты, представленные в данном цикле работ, носят «опережающий» характер — сделан ряд предсказаний, которые в последние годы подтверждаются. С теоретической точки зрения основная трудность рассматриваемой проблемы состоит в экстремально плохой сходимости численных расчетов. Так, в рамках метода гиперсферических гармоник для надежных расчетов требуются огромные базисы. Подобные расчеты стали технически выполнимы сравнительно недавно. Но даже при этом проблема сходимости из области энергий, характерной для теории ядерных реакций (E ~ 1–3 МэВ), переходит в область энергий, существенной для астрофизики (E ~ 10–500 кэВ).
В этих условиях для проверки трехчастичных расчетов были разработаны полуаналитические методы, опирающиеся на упрощенные трехчастичные гамильтонианы, допускающие точные решения. Эти решения представляют собой своего рода «страховочный трос», который позволяет продвинуться в низкоэнергетическую область, актуальную для астрофизических приложений.
Было также подтверждено, что существенный вклад в скорость реакции 15O(2p, γ)17Ne вносят прямые нерезонансные процессы. При этом аккуратный учет всех параметров, включая эффекты трехчастичной динамики, позволил уменьшить на три порядка неопределенности в предсказываемой скорости двухпротонного радиационного захвата в важном для астрофизики интервале температур от 0.1 до 1.0 ГК (гигакельвин). На графике выше представлены результаты предыдущей работы авторов (серые линии), настоящей работы (сплошные черные линии) и одной из лучших работ других авторов (зеленый пунктир). Уменьшение неопределенности в расчетах авторов обусловлено изменением экспериментальной ситуации с ядром 17Ne, а именно с измерением времени жизни возбужденного состояния 17Ne относительно двухпротонного распада, за что группа сотрудников ЛЯР получила в 2017 году вторую премию ОИЯИ.
Кардинально (на 1–2 порядка величины) пересмотрены ранее полученные другими авторами результаты расчетов скорости реакции 4He(2n, γ)6He. На графике ниже представлены скорости астрофизических радиационных захватов для реакции α+n+n → 6He+γ, полученные с различными силовыми функциями Е1 перехода. Точные трехчастичные расчеты авторов представленной работы (красный пунктир) при низких температурах выходят на правильную трехчастичную асимптотику (зеленый пунктир) и хорошо совпадают с результатами точно решаемой динейтронной модели (синие линии). Работы других авторов (серые линии) отличаются на порядки величин и не имеют правильной низкотемпературной асимптотики.
Дальнейшее развитие аналитических методов оценки скорости трехчастичных астрофизических реакций связано с так называемым методом асимптотических нормировочных коэффициентов. Этот метод широко применяется для оценки скорости двухчастичного радиационного захвата при низких энергиях и является полностью аналитическим. Обобщение этого метода на случай трехчастичных реакций радиационного захвата представляет собой нетривиальную задачу. В представленном исследовании показано, как можно обобщить этот метод на случай двухпротонных радиационных захватов в низкоэнергетической области. Оказалось, что существенным фактором здесь является влияние сильных корреляций в процессе захвата. На примере 17Ne впервые получена компактная и элегантная аналитическая формула для скорости трехчастичного радиационного захвата при астрофизических энергиях.
В заключение, отметим, что всестороннее изучение механизмов возбуждения трехчастичной мягкой дипольной моды открывает возможности для более точного вычисления скорости астрофизических реакций и моделирования различных сценариев нуклеосинтеза. Результаты проведенных исследований кардинальным образом меняют «ландшафт» в данной области ядерной физики. Результаты вычислений МДМ качественно отличаются от ранее полученных другими исследователями. Скорости нерезонансных астрофизических 2n и 2p захватов отличаются от ранее полученных на порядки. Новые значения скоростей реакции трехчастичного захвата позволяют существенно пересмотреть некоторые астрофизические сценарии и, возможно, обнаружить иной, ранее неизвестный путь звездной эволюции.