«Растянутые» ядерные состояния под увеличительным стеклом краковского циклотрона

Все химические элементы образовались в процессе эволюции Вселенной с преобладанием легких атомных ядер. Поэтому свойства этих ядер имеют решающее значение не только в астрофизике, но и в нашей повседневной жизни. Наши знания о легких атомных ядрах расширились благодаря проведенным в Кракове ускорительным исследованиям специфических возбужденных состояний ядер углерода-13.

Точное наблюдение явлений, происходящих в атомных ядрах, особенно в состояниях высоких энергий, представляет собой очень трудную задачу как с технической, так и с теоретической точек зрения. Однако существуют различные типы высоких возбуждений атомных ядер, которые можно наблюдать и интерпретировать с высокой точностью благодаря их особому строению.

Группа физиков из Польши, Италии, Франции, Бельгии, Нидерландов, Германии и Румынии провела серию измерений таких состояний в Циклотронном Броновицком центре в Кракове, коллимируя пучок протонов из ускорителя на мишени из углерода-13. Исследователи сообщают о результатах в статье, опубликованной в Буквы по физике б.

«Наши недавние результаты относятся к особому типу возбуждения ядра атома углерода-13. Эти возбуждения, известные как «расширенные» резонансы, представляют интерес для физиков, особенно астрофизиков, по многим причинам. Результат текущего успешного эксперимента будет быть серией дополнительных измерений, направленных на расширение Наших знаний о свойствах атомных ядер других оптических изотопов», — говорит профессор Богдан Форнал, работающий вместе с профессором Сильвией Леони из Миланского исследовательского университета и INFN Sezione di Milano в Италии, который предложил эту тему исследования.

Очень трудно наблюдать за поведением атомных ядер, возбужденных при высоких энергиях, потому что частицы, из которых состоят ядра, вступают в сложные взаимодействия с участием целых трех из четырех типов сил, существующих в природе: сильных, слабых и электромагнитных.

В связи с этим одним из основных преимуществ расширенных энергетических состояний легких атомных ядер является относительная простота их теоретического описания, позволяющая строить модели, уточняющие результаты измерений. Отличное соответствие между теорией и опытом свидетельствует о том, что знания, полученные в результате наблюдений за протяженными ядерными состояниями, следует считать надежными.

«Ядро в энергетическом состоянии, называемом расширением, можно представить как систему, в которой под влиянием столкновения протонов извне только один протон или нейтрон из ядра преодолевает энергетическую щель и переходит в энергетическое состояние в так — так называемая энергетическая цепь», — объясняет д-р Наталья Сибелица-Ореньяк (IFJ PAN).

«В континууме различные энергетические состояния ядра могут перекрываться, что радикально затрудняет описание и понимание происходящих явлений, а тем самым и интерпретацию данных экспериментов. Таким образом, расширенные состояния очень важны, поскольку на энергетической лестнице энергетических оболочек в атомном ядре, они являются одним из самых высоких мест, где еще можно делать относительно простые, но точные наблюдения».

В описанном здесь эксперименте для ускорения протонов использовался циклотрон Proteus C-235 в Кракове. Его испускаемый луч фокусировался на углеродных мишенях, установленных в Национальном институте ядерной физики и техники в Бухаресте. Протоны, испускаемые при столкновении пучка с мишенью, регистрировались с помощью измерительной системы KRATTA, состоящей из шести массивов телескопических детекторов.

Детекторы были расположены концентрически вокруг оси пучка протонов, так что они регистрировали в основном протоны, испускаемые под углом луча 36°. Это связано с тем, что теоретические анализы показали, что вблизи этого угла должна быть видна максимальная эмиссия рассеянных протонов, связанных с расширенными состояниями углерода 13.

Кроме того, гамма-кванты и заряженные частицы, испускаемые при распаде исследуемого резонанса, были зарегистрированы с помощью других 23 детекторных систем, включая современную систему регистрации PARIS и детектор частиц DSSSD.

Благодаря измерениям на краковском циклотроне удалось установить, что ядро ​​углерода-13 изучаемого расширенного состояния распадается по двум первичным каналам. В часто встречающемся канале ядро ​​испускает протон и превращается в возбужденный бор-12, который затем испускает гамма-квант. Во втором канале образуется углерод 12, сопровождающийся испусканием нейтрона (который, однако, не был зарегистрирован в эксперименте) и гамма-кванта.

Учитывая важность исследования для понимания различных ядерных процессов, серия экспериментов будет продолжена в Циклотронном Броновицком центре Международной федерации журналистов (PAN). атомные ядра Азот-14 и углерод-12 теперь будут представлять интерес для физиков. В ближайшем будущем также будет предпринята попытка найти протяженные ядерные состояния в боре-11, существование которых пока четко не задокументировано.