FTF 5 semestr.PROHOROV / Лекции / лекции_9-проблемы

V. ОТКРЫТЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ ЯДРА И ЧАСТИЦ

Одной из фундаментальных проблем является объяснение асимметрии между числом барионов и антибарионов во Вселенной. Эта асимметрия наблюдается в пределах скопления галактик, в которой мы находимся. Присуща ли барионная асимметрия всей Вселенной в целом или это локальное свойство ее ближайшей к нам области? Сегодня в моделях, объясняющих барионную асимметрию предполагается, что на начальном этапе эволюции Вселенной не было барионов и антибарионов. Они образовались в процессах, описываемых лагранжианами, нарушающими закон сохранения барионного числа. Вселенная на начальном этапе не находилась в состоянии термодинамического равновесия. Основные процессы эволюции шли с нарушением CP-инвариантности. Эксперименты по поиску нестабильности протона важны для выяснения всех этих вопросов.

Открытым остается вопрос о фундаментальности кварков и лептонов. Не являются ли они составными объектами в области масштабов < 10–16 см? Существуют ли в природе свободные цветные объекты? Какова природа темной материи? Имеет ли нейтрино массу? Смешиваются ли поколения лептонов?

1. N-Z диаграмма атомных ядер

Атомные ядра представляют собой связанные квантовые системы фермионов. Свойства атомных ядер определяются совместным действием сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий. В настоящее время обнаружено ~ 3000 атомных ядер, представляющих собой различные сочетания чисел протонов Z и нейтронов N. По существующим оценкам число атомных ядер может составлять ~ 6500.

Поиск новых изотопов и исследование их свойств играет ключевую роль в современной ядерной физике. Значительное продвижение в этой области связано с открытием явления радиоактивности. Наряду со стабильными ядрами было обнаружено существование радиоактивных атомных ядер и было заполнено два недостающих места легких элементов в таблице Менделеева – технеций (Z = 43) и прометий (Z = 61), наиболее долгоживу-

(T = 4,5 109 лет) и поэтому не были первоначально обнаружены в земных условиях. Наиболее тяжелыми стабильными ядрами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмута (Z = 83).

1

На рис. 1 показана N-Z (или N/Z) диаграмма атомных ядер. Черными точками показаны стабильные ядра. (Для стабильных ядер характерно вполне определенное значение N/Z, определяемое равновесием ядерных и кулоновских сил в ядре) Область расположения стабильных ядер обычно называют долиной стабильности. Для ядер долины стабильности характерно следующее отношение числа нейтронов к числу протонов:

N /Z 0,98 0,015 A2/3,

где A = N + Z – массовое число.

Рис. 1. N-Z диаграмма атомных ядер

Легкие стабильные ядра (А < 40) имеют приблизительно равные числа нейтронов и протонов. В области более тяжелых ядер отношение числа нейтронов к числу протонов начинает возрастать и достигает величины 1,6 в районе А = 250. Это изменение легко понять, если учесть короткодействующий характер ядерных сил и возрастающую роль кулоновского взаимодействия протонов с ростом А. Тяжелые ядра оказываются энергетически более устойчивыми, если содержат большее число нейтронов N по сравнению с числом протонов Z. С левой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протоноизбыточные ядра), справа – ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные ядра). Ядра, сильно перегруженные нейтронами или протонами, обычно называ-

2

ют экзотическими ядрами. Более темным цветом на рис. 1 выделены атомные ядра, обнаруженные в настоящее время.

Пунктирная линия очерчивает область возможного существования атомных ядер. Связанное состояние ядра определяется как состояние, связанное относительно испускания нейтронов или протонов, т.е. считается, что атомное ядро существует, если оно не испускает нуклоны из основного состояния. Линия Bp = 0 (Bp – энергия отделения протона) ограничивает область существования атомных ядер слева (proton drip-line). Линия Bn = 0 (Bn – энергия отделения нейтрона) – справа (neutron drip-line). Вне этих границ атомные ядра существовать не могут, так как они распадаются за характерное ядерное время (~ 10–23 c) с испусканием одного или нескольких нуклонов. Если среднее время жизни ядра τ < 10–22 с, обычно считается, что ядра не существует. Характерные времена жизни для радиоактивных ядер τ > 10–14 c. Времена жизни ядер, обусловленные испусканием нуклонов 10–23 с < τ <10–20 c. Ядра, имеющие такие времена жизни, обычно наблюдаются в виде резонансов в сечениях ядерных реакций. Среднее время жизни ядра и ширина резонанса Г связаны соотношением

/ ; (c) 6,6 10 22 / (МэВ).

Рассчитать границы нуклонной стабильности довольно сложно, т.к. точность, с которой оцениваются энергии связи ядер (несколько сотен кэВ), недостаточна для того, чтобы определить будет ли ядро β-радиоактивным или оно будет распадаться с испусканием нуклона. Поэтому точность предсказания границы существования атомных ядер для отдельных элементов может составлять 4–5 единиц по A. В первую очередь это относится к границе нейтронной стабильности. Кулоновское взаимодействие протонов делает невозможным существование ядер, сильно перегруженных протонами. Для легчайших ядер граница Bp = 0 проходит довольно близко от долины стабильности. Потенциальный барьер, обусловленный кулоновским взаимодействием и орбитальным моментом вылетающего из ядра нуклона, может привести к увеличению времени жизни ядерной системы и несколько сдвинуть границу существования атомных ядер.

Увеличение заряда ядра приводит к увеличению кулоновского барьера и соответственно к увеличению периода полураспада ядра.

На рис. 2 приведены теоретические оценки зависимостей периодов полураспада ядра с испусканием одного и двух протонов от энергий распада Ep или E2p соответственно и заряда ядра Z. Линиями ограничены области от T1/2 ~ 100 нс до T1/2 ~ 100 мс. Увеличение времени жизни нейтроноизбыточных ядер с Bn > 0 и B2n > 0 может происходить как из-за центробежного барьера для нейтронов, вылетающих из ядра с ненулевым орбитальным моментом, так и из-за действия правил отбора по изоспину. В результате

3

действия этих факторов время жизни нейтрононестабильных ядер может стать гораздо больше характерного ядерного времени 10–23 с.

Рис. 2. Оценки зависимостей периодов полураспада ядра

с испусканием одного и двух протонов от энергий распада Ep или E2p соответственно и заряда ядра Z

Ускорители 50-60-х годов давали в основном пучки легких ионов: протонов, дейтронов, -частиц, на которых исследовались отдельные квантовые состояния ядер с малым угловым моментом и ядерные реакции, связанные с передачей одного или двух нуклонов. Современные ускорители дали возможность изучать крупномасштабные коллективные движения, обусловленные кардинальной перестройкой ядерного вещества, – такие процессы как глубонеупругие столкновения и слияния тяжелых ионов.

Улучшение техники ионных пучков и методов сепарации короткоживущих изотопов, образующихся в результате ядерной реакции, достигнутое за последние годы, существенно расширило число исследованных ядер, и в

4

некоторых областях N-Z диаграммы атомных ядер обнаружены ядра, расположенные на границах нуклонной стабильности. В двух областях – (Z = 51 – 55) и (Z = 69 – 83) – была обнаружена протонная радиоактивность

– испускание протонов из основного состояния ядра, что точно устанавливает границу Bp = 0. Обнаруженные в настоящее время протоноизбыточные атомные ядра практически вплотную приблизились к границе протонной стабильности. Для нейтроноизбыточных ядер ситуация существенно иная. Между линией Bn = 0 и уже обнаруженными ядрами существует большое белое пятно – область, пока не обнаруженных нейтроноизбыточных ядер.

По мере удаления от долины β-стабильности происходит увеличение энергии β-распада и уменьшение энергии отделения нуклонов. Начиная с энергий β-распада, больших, чем энергии отделения нуклонов, либо фрагментов ядра, становится возможным испускание запаздывающих частиц. Испускание запаздывающих частиц – двухстадийный процесс. На первой стадии происходит β-распад. При этом дочернее ядро может образовываться в возбужденном состоянии. На второй стадии происходит распад ядра из возбужденного состояния с испусканием нейтронов, протонов и более тя-

желых ядер. Было обнаружено запаздывающее деление ядра.

Частицы, испускаемые в таких процессах, называются запаздывающими, так как период полураспада, наблюдаемый путем регистрации конечных продуктов, будет определяться времнем предшествующего β- распада.

Вправом верхнем углу N-Z диаграммы расположена интенсивно исследуемая в настоящее время область сверхтяжелых атомных ядер. Открытие и исследование сверхтяжелых атомных ядер с Z = 109–118 показывает, что в этой области ядер существенную роль в повышении их стабильности играют ядерные оболочки. Достаточно хорошее согласие теоретических расчетов с полученными в последнее время экспериментальными данными позволяет прогнозировать существование острова стабильности в районе Z = 110–114 и N = 178–184. Трудность проникновения на остров стабильности связана с тем, что нет комбинации соответствующих ядер, использование которых в качестве мишени и налетающей частицы позволили бы попасть в центр острова стабильности.

Влабораторных условиях получать ядра вблизи предела стабильности сложно из-за малых сечений образования этих ядер и коротких периодов полураспада. В настоящее время методы сепарации и детектирования образующихся в результате ядерных реакций экзотических ядер достигли такого совершенства, что основные характеристики атомных ядер: масса, период полураспада, основные моды распада – могут быть получены на основе анализа небольшого их числа.

Метод сепарации на лету позволяет получать моноизотопные пучки

5

ядер вплоть до урана независимо от их химических свойств. Появились новые экспериментальные методы изучения свойств атомных ядер - комбинации ускорителей с ионными ловушками для низкоэнергетических ионов и накопительные кольца для ионов низких и средних энергий. Существенный прогресс в изучении ядер с необычным отношением N/Z – экзотических ядер – связан с возможностью накопления высокоэнергетических вторичных пучков радиоактивных ядер и изучения реакций на этих пучках.

До недавнего времени экспериментальные возможности для радиоактивных ядер ограничивались изучением таких их характеристик как масса, период полураспада, основные каналы распада. Пучки радиоактивных ионов с энергиями от 1 МэВ/нуклон до 1 ГэВ/нуклон дают более детальную информацию об атомных ядрах. Изучение экзотических ядер дает сведения об атомных ядрах, находящихся в экстремальных условиях. В таких ядрах меняется соотношение между кулоновским и ядерным взаимодействием, характерное для стабильных ядер, что приводит к появлению новых, необычных свойств.

2. Радиоактивные пучки

В то время когда в физике частиц происходило продвижение в сторону высоких энергий и открывались новые частицы, в состав которых входили все более массивные кварки, качественно изменилась ситуация и в «традиционной» ядерной физике. Улучшение техники ионных пучков и методов сепарации короткоживущих изотопов существенно расширило число исследованных ядер. К концу XX века было открыто 3000 атомных ядер. Всего в границах ядерной стабильности по существующим оценкам их может быть около 7000.

Наряду с хорошо известными моделями распада атомных ядер – , ,и спонтанным делением были обнаружены новые типы радиоактивности. В 1962 г. в ОИЯИ (Дубна) впервые была зарегистрирована протонная радиоактивность. Она наблюдалась для нейтронодефицитных ядер вблизи границы протонной стабильности.

Было обнаружено, что ядра могут самопроизвольно испускать ядра тяжелее 4He – кластерная радиоактивность. Впервые кластерная радиоактивность наблюдалась в распаде

223Ra 209Pb + 14C

Какие сегодня приоритетные направления исследований в области ядерной физики?

1.Поиск новых сверхтяжелых ядер.

2.Исследоваание свойств ядерной материи в экстремальных условиях

6

– в области низкой температуры и низкой плотности ядерной материи и в области высокой температуры и высокой плотности ядерной материи. Состояния с высокой плотностью ядерной материи интенсивно исследуются в столкновениях релятивистских ядер. Ведутся исследования в области мультифрагментации и полного развала ядра на нейтроны и протоны.

3.Исследование формы и свойств атомных ядер в супердеформированных состояниях и в состояниях с экстремально большими спинами.

4.Исследование атомных ядер вдали от долины стабильности, вблизи от границ нейтронной и протонной стабильности.

5.Изучение новых типов радиоактивного распада. Поиск новых долгоживущих изомерных состояний

6.Открытым и требующим дальнейших исследований является вопрос о роли кварковых степеней свободы и их влияние на короткодействующую составляющую ядерных взаимодействий.

7.Кварк-глюонная структура нуклона и изменение его свойств в ядерной материи.

В настоящее время методы сепарации и детектирования достигли такого совершенства, что основные характеристики атомных ядер: масса, период полураспада, основные моды распада – могут быть получены на основе анализа небольшого их числа.

Метод сепарации тяжелых ионов на лету позволяет получать моноизотопные пучки ускоренных ядер вплоть до урана. Появились новые экспериментальные методы для изучения свойств атомных ядер – комбинации ускорителей с ионными ловушками для низкоэнергетических ионов и накопительные кольца для ионов низких и средних энергий. Существенный прогресс в исследовании ядер с необычным отношением N/Z – экзотических ядер – связан с возможностью накопления высокоэнергетических вторичных пучков радиоактивных ядер и изучения реакций на этих пучках.

3. Экзотические ядра

До недавнего времени экспериментальные возможности для радиоактивных ядер ограничивались изучением таких характеристик как масса, период полураспада, моды распада.

Кчислу основных характеристик атомного ядра относятся его размер

иформа. Для сферических ядер, расположенных вблизи долины стабильности, плотность распределения ядерной материи ρ(r) и электрического заряда ρq(r) совпадают и описываются распределением Ферми:

7

где R – радиус ядра – расстояние, на котором плотность ядерной материи спадает в 2 раза; ρ0 – плотность в центре ядра; d – толщина поверхностного слоя (диффузность) ядра. Для ядер вблизи долины стабильности были установлены следующие закономерности.

1.Пространственное распределение протонов и нейтронов для ядер вблизи долины стабильности практически совпадают.

2.Плотность ядерной материи в центральной части ядра примерно одинакова для всех ядер ρ0 ≈ 0,17 нуклон/Фм3 (см. рис. 3, 4).

(Примечание: Ферми – (русское обозначение: Ф, Фм; международное: F, Fm) – внесистемная единица измерения длины и расстояния, применяющаяся в ядерной физике и физике элементарных частиц. Названа в честь итальянского физика Энрико Ферми. Ферми отличается от фемтометра лишь названием. По величине ферми и фемтометр совпадают:

1 10−15 м. Единица удобна для применения в ядерной физике, поскольку ха-

рактерные размеры атомного ядра составляют несколько ферми. Итак, 1 ферми = 1 Фм = 1 10−15 м.)

3.Величина радиуса ядра определяется числом нуклонов в ядре A

(R 1,3 А1/3 Фм).

4.Диффузность ядра d приблизительно одинакова для всех ядер и имеет характерный размер 2,2 Фм.

5.Толщина поверхностного слоя t (спад плотности от 0,9ρ0 до 0,1ρ0) у всех ядер примерно одинакова: t = 4,4d = 2,4 Фм.

Атомные ядра вблизи долины стабильности представляют собой довольно компактные объекты. Их радиусы меняются от 2–3 Фм для самых легких ядер до 7–8 Фм для самых тяжелых (см. рис. 4, 5).

Рис. 3. Распределение Ферми

8

мальных условиях. В таких ядрах меняется соотношение между кулоновским и ядерным взаимодействием, характерное для стабильных ядер, что приводит к появлению новых, необычных свойств. Оказалось, что в отличие от ядер, расположенных вблизи долины стабильности, в экзотических ядрах не совпадают зарядовое и массовое пространственные распределения. Были обнаружены гало-ядра, имеющие пространственное распреде-

ление ядерной материи, существенно превышающее обычные размеры атомных ядер R = 1,3 A1/3.

Таким образом, для ядер, удаленных от долины стабильности, ситуация явно меняется. Для некоторых ядер, перегруженных нейтронами (протонами), наблюдается так называемый нейтронный (протонный) слой – область вблизи поверхности ядра, в которой с учетом фактора нормировки N/Z ρn > ρp (ρp > ρn) (см. рис. 6). В легких ядрах с большим отношением N/Z было открыто нейтронное гало. Нейтронное гало наблюдается в ядрах, у которых энергия связи нейтрона En < 1–1,5 МэВ. Оказалось, что в галоядрах наряду с кором, (кор – та часть объема ядра, для которой плотность распределения протонов и нейтронов с точностью до фактора Z/A совпадает), существует довольно большая область на периферии ядра, в которой плотность распределения нейтронов ρn существенно больше плотности распределения протонов ρp (ρn >> ρp).Обнаружены также ядра, имеющие

протонное гало.

Рис. 6. Нейтронный слой у ядра 22С

Нейтронное гало – эффект, обусловленный наличием связанных состояний нейтронов, расположенных вблизи континуума. Малая величина энергии связи нейтрона (или группы нейтронов) и короткодействующий характер ядерных сил приводят к туннелированию нейтронов во внешнюю периферийную область на большие расстояния от кора ядра. При этом плотность распределения периферийных нейтронов существенно меньше

10