Ученые ОИЯИ первыми в мире синтезировали самый легкий изотоп нобелия

Группа ученых Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в течение 2019 – 2021 годов исследовала свойства радиоактивного распада нейтронодефицитных ядер нобелия и резерфордия. По итогам проведенных экспериментов был синтезирован новый, нейтронодефицитный изотоп ²⁴⁹No. Этот изотоп ученые ОИЯИ синтезировали первыми в мире, причем с высокой статистикой - 220 событий. Также были обнаружены новые моды распада и изомерные состояния изотопа ²⁵³Rf, проведен анализ α-, γ- спектров ядер ²⁵⁶No, ²⁵⁷Rf, а также получены ранее не известные изомерные состояния этих ядер и изучены свойства спонтанно-делящихся изотопов ^252,254No и ²⁵⁴Rf. Полученные результаты помогают ученым продвинуться в понимании свойств и пределов стабильности ядерной материи.

Результаты экспериментов прокомментировал начальник сектора №2 Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Александр Свирихин.

²⁴⁹No и ²⁵³Rf

«Наша группа занимается изучением свойств радиоактивного распада тяжелых ядер преимущественно из трансфермиевой области. Эти работы важны для понимания, каким может быть минимальное и максимальное соотношение нейтронов и протонов в ядре, какое наименьшее количество нейтронов позволяет ядру оставаться стабильным. Например, в одном из наших экспериментов мы дошли до ядра нобелия с массой 249 – это открытый нами самый легкий изотоп нобелия», - пояснил Александр Свирихин.

Ядра этого изотопа было достаточно сложно получить: на высокоинтенсивных пучках циклотрона У-400, с использованием сепаратора продуктов реакций полного слияния SHELS, было зарегистрировано всего несколько десятков событий образования ²⁴⁹No, которые позволили установить схему его α-распада в уже известные ядра.

«Фермий-245, в который он распадается, был слабо изучен, мы обнаружили для него моду распада, связанную с электронным захватом: он способен распадаться не только альфа-распадом в калифорний-241, как считалось ранее, но и в эйнштейний-245, как раз через электронный захват», - рассказал он.

В следующем эксперименте было синтезировано «материнское» ядро - ²⁵³Rf, для которого был зафиксирован распад в нобелий-249, тем самым подтвердив «право на жизнь» этого изотопа.

Циклотрон У-400

Гамма-спектроскопия ядер No и Rf

Другие работы цикла связаны с гамма-распадом и структурой ядер. По словам Александра Свирихина, одним из наиболее точных способов изучения ядерных сил, удерживающих вместе нейтроны и протоны в атомном ядре, является альфа- и гамма-спектроскопия, благодаря которой можно изучить тонкую структуру альфа-распада, состояния, в которых ядро испускает гамма-кванты, а также ядерные изомеры. 

«Тонкая прецизионная спектрометрия ядерного гамма-распада, анализ гамма-квантов – одна из мощных методик, позволяющих получать данные о структуре ядер. Изучая возбужденные состояния ядра, мы делаем выводы о том, как группируются нейтроны и протоны внутри ядра, как это влияет на его стабильность и в целом на состояние ядерной материи», - прокомментировал ученый.

Таким образом научные сотрудники ЛЯР изучают фундаментальные свойства ядерных сил – их свойства раскрыты не до конца.

Спонтанное деление

Одним из вариантов распада тяжелых ядер является так называемое спонтанное деление, когда ядро само собой распадается на два произвольных осколка, различающихся по массе. В отличие от альфа-распада, когда из ядра вылетает альфа-частица, здесь получаются два осколка, которые были сформированы внутри ядра.

«Данные, которые обобщают свойства этого вида распада для ядер тяжелее фермия, довольно скупы. Очень мало данных о том, какие именно осколки образуются, какая у них энергия распада. Поскольку у нас есть возможность получать в значимых количествах ядра тяжелых элементов, мы можем максимально детально изучить в том числе этот процесс спонтанного деления», - отметил Александр Свирихин.

Сотрудник сектора №2 ЛЯР ОИЯИ Юрий Попов в процессе запуска сепаратора SHELS после модернизации

Ученые ЛЯР оценивают такие параметры спонтанного деления, как период полураспада, полная кинетическая энергия осколков, выделяемая в процессе деления, а также измеряют параметр, который не исследуется больше ни в одной лаборатории в мире – нейтронные характеристики спонтанного деления. В процессе деления ядра испускаются несколько не связанных нейтронов, которые вылетают из осколков деления. Этот процесс обосновывает существование цепной реакции в ядерных реакторах, а в ЛЯР ОИЯИ ученые, подсчитывая количество таких свободных нейтронов, пытаются сделать выводы о процессе формирования осколков. 

«По сути, это тоже путь к пониманию того, как устроены ядерные силы, под воздействием каких именно закономерностей формируются осколки перед разделением ядра, - продолжил спикер. – Есть ядро, оно стабильно – живет, может быть, секунды, а может быть, несколько тысячелетий, и вдруг оно произвольно делится на два осколка: почему именно на эти два осколка, почему диапазон их масс именно таков? Изучая все это, мы получаем детальную и очень важную информацию о природе ядерных сил. Наш вклад в физику деления заключается в том, что мы изучаем спонтанное деление в этой тяжелой области для ядер тяжелее фермия, для короткоживущих нейтронодефицитных ядер».

Александр Свирихин добавил, что сепаратор SHELS, который использовался для проведения всех перечисленных экспериментов, позволяет изучать ядра с периодом полураспада в несколько микросекунд.

«Например, мы можем получить несколько тысяч ядер ²⁵⁰No, каждое из которых имеет период полураспада 4-5 мкс, и мы можем его довольно подробно изучить», - рассказал он.

Работы цикла были выполнены коллективом ученых ЛЯР ОИЯИ: Александр Свирихин, Александр Еремин, Андрей Попеко, Олег Малышев, Юрий Попов, Андрей Исаев, Мерейгуль Тезекбаева, Роман Мухин – совместно с исследователями IJCLab, IN2P3-CNRS, Университета Париж–Сакле А. Лопез-Мартенс и К. Хошильдом. Авторы получили вторую Премию ОИЯИ в категории «За научно-исследовательские экспериментальные работы».

Детали исследования представили сами ученые.

«α-, γ-спектрометрия и свойства распада изотопов ^{249,252,254,256}No и ^253,254,257Rf»

В последние годы, с развитием экспериментальных методик физики тяжелых ионов, область ядер тяжелее фермия (Z ≥ 100) стала доступна для детального изучения. Характеристики радиоактивного распада тяжелых и сверхтяжелых ядер, получаемых на высокоинтенсивных пучках многозарядных ионов циклотрона У-400 ЛЯР, дают представление о свойствах и пределах стабильности ядерной материи. С использованием сепаратора продуктов реакций полного слияния SHELS [1,2], показанного на рис. 1, и широкого набора детектирующих сборок, наша группа, за последние годы, значительно продвинулась в изучении свойств распада ядер из указанной области.

Рис. 1 SHELS – электромагнитный сепаратор продуктов реакций полного слияния с тяжелыми ионами

В цикле работ нами изучались свойства радиоактивного распада нейтронодефицитных изотопов нобелия (No) и резерфордия (Rf), чьи массы лежат в окрестностях нейтронной подоболочки N = 152.  

Для сильно нейтронодефицитного изотопа ²⁴⁹No, впервые синтезированного в эксперименте на сепараторе SHELS в 2020 году [3], были измерены период полураспада (T_1/2 = 38,1±2,5 мс), энергия α-частиц (E_α = 9129 кэВ), оценена вероятность спонтанного деления (b_SF ≤ 0,23%), схема распада представлена на рис. 2. 

Рис. 2. a) – Цепочка распадов нового изотопа ²⁴⁹No, b) – Спектр α-частиц полученный для распада ²⁴⁹No (9129 keV) в известные ядра: ²⁴⁵Fm (8171 keV) и ²⁴¹Cf (7360 keV). α-линия с энергией 7728 keV относится к распаду ²⁴⁵Es, получаемому при β(EC)-распаде ²⁴⁵Fm

Для ^252,254No [4] и ²⁵⁴Rf [5] изучались характеристики спонтанного деления, такие как ТКЕ и выход мгновенных нейтронов. Для ²⁵⁴No и ²⁵⁴Rf среднее число нейтронов на спонтанное деление определялось впервые и составило 4.88 ± 0.53 и 3.87 ± 0.34, соответственно. С использованием усовершенствованного метода статистической регуляризации [6], восстанавливались распределения мгновенных нейтронов спонтанного деления по множественностям. Для короткоживущего изотопа ²⁵²No, на новой детектирующей системе SFiNX [7], нейтронные выходы измерены с рекордной точностью. Результаты измерений и сравнение с теоретическими расчетами приводятся в таблице 1.

Табл. 1. Сравнение измеренных и расчетных выходов мгновенных нейтронов спонтанного деления ядер, зарегистрированных в фокальной плоскости сепаратора SHELS.

Для более тяжелых изотопов нобелия и резерфордия, с использованием детектирующей системы GABRIELA [8] проводилось детальное изучение ядерных уровней, как в основном, так и в изомерных состояниях. При изучении ядерных уровней изотопа ²⁵⁶No впервые было обнаружено короткоживущее высоко-спиновое k-изомерное состояние [9], которое уверенно идентифицируется как одно-квазичастичное нейтронное состояние (11/2^-[725]). Удается проследить уменьшение энергии возбуждения этого состояния с увеличением атомного номера изотонов с N=153. Например, при изучении тонкой структуры α-распада ²⁵⁷Rf [10] обнаружено аналогичное состояние при энергии уровня всего 75 кэВ выше основного состояния. 

Наконец, в марте 2021 г., наш эксперимент по изучению распада 253Rf подтвердил наличие у этого ядра двух низко-лежащих спонтанно-делящихся состояний с значительной разницей в периодах полураспада (Рис.3).

Рис. 3. a) Цепочка α-распада ядра ²⁵³Rf, b) предлагаемая схема уровней ядра ²⁵³Rf

Наблюдаемые [11] детали распада 3го высокоспинового К-изомерного состояния при энергии возбуждения выше 1 МэВ позволили выявить структуру состояния, соответствующего короткоживущей спонтанно-делящейся активности ²⁵³Rf, сопоставив отмеченному одно-квазичастичную нейтронному состоянию конфигурацию 7/2+[624]. Кроме того, впервые был зарегистрирован α-распад этого ядра (b_α=17±6 %), приводящий к образованию ранее полученного изотопа ²⁴⁹No [3], цепочка распада приведена на рис. 3(a). 

Наши результаты расширяют представление о поведении ядерной материи в области нейтроно-дефицитных трансфермиевых ядер. Измерения парциальных периодов полураспада, энергии распада и изучение изомерии тяжелых ядер расширяют базисную информацию для развития моделей строения ядра и оценки границ существования ядер. Несмотря на то, что работы в этой области значительно ограничиваются низкими сечениями реакций полного слияния, методики, реализуемые на сепараторе SHELS, позволяют синтезировать искомые ядра в количествах, достаточных для подробного изучения характеристик радиоактивного распада. 

Результаты представлены в следующих публикациях:

1. Yeremin, A.V., Popeko, A.G., Malyshev, O.N., Isaev, A.V., Kuznetsova, A.A., Popov, Y.A., Svirikhin, A.I., Sokol, E.A., Tezekbayeva, M.S., Chelnokov, M.L., Chepigin, V.I., Lopez-Martens, A., Hauschild, K., Dorvaux, O., Gall, B., Piot, J., Antalic, S., Mosat, P., Tonev, D., Stefanova, E., “Spectroscopy of the Isotopes of Transfermium Elements in Dubna: Current Status and Prospects”, 2020, Physics of Atomic Nuclei, 83 (4), pp. 503-512.
2. Yeremin, A., Lopes-Martens, A., Hauschild, K., Popeko, A., Malyshev, O., Chepigin, V., Svirikhin, A., Isaev, A., Popov, Y., Chelnokov, M., Kuznetsova, A., Dorvaux, O., Gall, B., Asfari, Z., Tezekbaeva, M., Piot, J., Antalic, S., “Velocity filter SHELS: Performance and experimental results”, 2020, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 463, pp. 219-220.
3. Svirikhin, A.I., Yeremin, A.V., Zamyatin, N.I., Izosimov, I.N., Isaev, A.V., Kuznetsova, A.A., Malyshev, O.N., Mukhin, R.S., Popeko, A.G., Popov, Y.A., Sokol, E.A., Sailaubekov, B., Tezekbayeva, M.S., Chelnokov, M.L., Chepigin, V.I., Andel, B., Antalic, S., Bronis, A., Mosat, P., Gall, B., Dorvaux, O., Lopez-Martens, A., Hauschild, K., “The New 249No Isotope”, 2021, Physics of Particles and Nuclei Letters, 18 (4), pp. 445-448.
4. Isaev, A.V., Andreev, A.V., Chelnokov, M.L., Chepigin, V.I., Izosimov, I.N., Kuznetsova, A.A., Malyshev, O.N., Mukhin, R.S., Popeko, A.G., Popov, Y.A., Shneidman, T.M., Sokol, E.A., Svirikhin, A.I., Tezekbayeva, M.S., Yeremin, A.V., Zamyatin, N.I., Brionnet, P., Dorvaux, O., Gall, B., Kessaci, K., Sellam, A., Hauschild, K., Lopez-Martens, A., Antalic, S., Mosat, P., “Comparative Study of Spontaneous-Fission Characteristics of 252No and 254No Isotopes”, 2021, Physics of Particles and Nuclei Letters, 18 (4), pp. 449-456.
5. Svirikhin, A.I., Andreev, A.V., Yeremin, A.V., Zamyatin, N.I., Izosimov, I.N., Isaev, A.V., Kuznetsov, A.N., Kuznetsova, A.A., Malyshev, O.N., Popeko, A.G., Popov, Y.A., Sokol, E.A., Tezekbayeva, M.S., Chelnokov, M.L., Chepigin, V.I., Schneidman, T.M., Andel, B., Antalic, S., Bronis, A., Mosat, P., Gall, B., Dorvaux, O., Retailleau, B.M., Hauschild, K., Lopez-Martenz, A., Chauveau, P., Stefanova, E., Tonev, D. “Prompt Neutrons from Spontaneous 254Rf Fission”, 2019, Physics of Particles and Nuclei Letters, 16 (6), pp. 768-771.
6. Mukhin, R.S., Dushin, V.N., Eremin, A.V., Izosimov, I.N., Isaev, A.V., Svirikhin, A.I., “Reconstruction of Spontaneous Fission Neutron Multiplicity Distribution Spectra by the Statistical Regularization Method”, 2021, Physics of Particles and Nuclei Letters, 18 (4), pp. 439-444.
7. Isaev, A.V., Yeremin, A.V., Zamyatin, N.I., Izosimov, I.N., Kuznetsova, A.A., Malyshev, O.N., Mukhin, R.S., Popeko, A.G., Popov, Yu.A., Sailaubekov, B., Svirikhin, A.I., Sokol, E.A., Tezekbayeva, M.S., Testov, D.A., Chelnokov, M.L., Chepigin, V.I., Antalic, S., Mosat, P., Brionnet, P., Gall, B., Dorvaux, O., Kessaci, K., Sellam, A., Lopez-Martens, A.,  Hauschild, K. “Study of spontaneous fission using the SFiNX system” to be published in Acta Physica Polonica B Proceedings Supplement,  14 (4), 2021.
8. Chakma, R., Hauschild, K., Lopez-Martens, A., Yeremin, A.V., Malyshev, O.N., Popeko, A.G., Popov, Y.A., Svirikhin, A.I., Chepigin, V.I., Dorvaux, O., Gall, B., Kessaci, K., “Gamma and conversion electron spectroscopy using GABRIELA”, 2020, European Physical Journal A, 56 (10), art. no. 245.
9. Kessaci, K., Gall, B.J.P., Dorvaux, O., Lopez-Martens, A., Chakma, R., Hauschild, K., Chelnokov, M.L., Chepigin, V.I., Forge, M., Isaev, A.V., Izosimov, I.N., Katrasev, D.E., Kuznetsova, A.A., Malyshev, O.N., Mukhin, R., Piot, J., Popeko, A.G., Popov, Y.A., Sokol, E.A., Svirikhin, A.I., Tezekbayev, M.S., Yeremin, A.V., «Evidence of high-k isomerism in 256No», 2021, Physical Review C, 104 (4), art. no. 044609.
10. Hauschild, K., Lopez-Martens, A., Chakma, R., Dorvaux, O., Gall, B.J.P., Chelnokov, M.L., Chepigin, V.I., Isaev, A.V., Izosimov, I.N., Katrasev, D.E., Kuznetsova, A.A., Malyshev, O.N., Popeko, A.G., Popov, Yu.A., Sokol, E.N., Svirikhin, A.I., Tezekbayeva, M., Yeremin, A.V., Ackermann, D., Piot, J., Mosat, P., Andel, B., “Alpha-decay spectroscopy of 257Rf”, submitted to Eur. Phys. J. A (July 2021).
11. Lopez-Martens, A., Hauschild, K., Svirikhin, A.I., Asfari, Z., Chelnokov, M.L., Chepigin, V.I., Dorvaux, O., Forge, M., Gall, B.J.P., Isaev, A.V., Izosimov, I.N., Kessaci, K., Kuznetsova, A.A., Malyshev, O.N., Mukhin, R.S., Popeko, A.G., Popov, Yu.A., Sailaubekov, B., Sokol, E.A., Tezekbayeva, M.S., Yeremin, A.V., “On the   fission properties of 253Rf and the stability of neutron-deficient Rf isotopes” submitted to Phys. Rev. C (Lett). (October 2021).