Бета-распад нейтронно-избыточных ядер и астрофизический нуклеосинтез тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, доктор физико-математических наук Борзов, Иван Николаевич

• Борзов, Иван Николаевич
• доктор физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Борзов, Иван Николаевич

1 Основные состояния и спин-изоспиновые возбуждения атомных ядер

1.1 Микроскопическое описание /i-силовой функции в атомных ядрах.

1.2 Основные состояния сверхтекучих ядер в самосогласованном подходе

1.3 Зарядово-обменные возбуждения ядер в EDF+CQRPA.

1.4 Микроскопическое описание переходов первого запрета.

1.5 Микроскопическая модель захвата электронных нейтрино атомными ядрами

2 Основные состояния нейтронно-избыточных ядер

2.1 Функционал плотности DF3 и свойства нейтронно-избыточных ядер.

2.2 Массовая формула ETFSI-2 и свойства нейтронно-избыточных ядер

2.3 Новая параметризация взаимодействия Скирма - SkSC17.

3 Спин-изоспиновые возбуждения и эффективное ./УД^-взаимодействие

3.1 GT силовые функции в области Fe-Ni.

3.2 Спектры реакций (р,п), (п,р) при энергии Ер=300 МэВ

3.3 Спектры реакций (р,п) при Ер=22,5 МэВ.

3.4 /3+-распад нейтронно-дефицитных ядер.

4 Расчеты скоростей процессов слабого взаимодействия в атомных ядрах

4.1 Периоды (3-распада в ETFSI+CQRPA подходе.

4.2 Гамов-Теллеровские и запрещенные распады ядер вблизи iV=50,80,

4.3 Сечения захвата электронных нейтрино из Сверхновых

5 Микроскопические ядерные данные и расчеты нуклеосинтеза элементов в Сверхновых II типа

5.1 Основные характеристики r-процесса нуклеосинтеза.

5.2 Влияние периодов f3-распада на производство элементов в г-процессе

5.3 Синтез редкого нуклида 138La в р-процессе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Бета-распад нейтронно-избыточных ядер и астрофизический нуклеосинтез»

Актуальность темы. Программы развития современных ускорителей радиоактивных ионов (GSI, MAFF, RIKEN, RIA) предусматривают существенное расширение возможностей синтеза ядер, удаленных от долины (3-стабильности. Продвижение в новые области ядерной terra incognita стимулирует теоретические исследования ядерных систем с необычным нуклон-ным составом: от нейтронных звезд - до атомных ядер с сильной нейтрон-протонной асимметрией (N/Z > 1 и < 1). Фундаментальный аспект проблемы связан с изучением эволюции структуры ядра с ростом квантового числа изоспина, что требует развития- самосогласованных подходов в теории систем многих тел. В ядерно-астрофизических приложениях важна надежная теоретическая экстраполяция ядерных данных в экспериментально недоступные области ядерной карты. Для ядерно-технологических приложений, в частности, для разработки электроядерных систем трансмутации высокоактивных нуклидов также необходимы сечения реакций на ядрах, достаточно удаленных от стабильности. Исследования в этих направлениях несомненно актуальны и представляют одну из "точек роста" современной ядерной физики.

Существующая на фундаментальном уровне связь слабых ядерных процессов с нуклеосинтезом элементов, сопровождающем коллапс массивных звезд, обусловливает астрофизический аспект исследований ядер с сильной нейтрон-протонной асимметрией. Измерения и теоретические предсказания масс и /3-распадных характеристик нуклидов вблизи /^-нестабильных дважды-магических ядер (78Ni, 132Sn) исключительно важны для решения проблемы r-процесса (быстрого астрофизического нуклеосинтеза), отs ветственного за образование более половины тяжелых ядер, известных в природе. Аналогичные характеристики нейтронно-дефицитных дважды-магических ядер (48Ni, 100Sn), по-видимому, связаны с астрофизическими условиями быстрого гр-процесса в Сверхновых II типа. Для объяснения образования редких элементов в р-процессе также важен учет реакций слабого взаимодействия: неупругого рассеяния нейтрино за счет нейтральных токов и захвата электронных нейтрино за счет электрослабых заряженных токов. Ценную информацию могут дать новые эксперименты на стабильных нейтронно-избыточных ядрах. Так, для ядра 208РЬ прецизионные измерения среднеквадратичных радиусов распределения заряда и материи в реакции несохраняющего четность рассеяния электронов позволяют извлечь энергию симметрии ядерной материи при высоких плотностях и определить уравнение состояния и радиус нейтронных звезд.

Предсказание деталей эволюции ядерных оболочек с ростом изоспина требует выхода за рамки стандартных подходов. Феноменологические и полумикроскопические ядерные модели, использовавшиеся для расчетов вблизи линии /3-стабильности и опиравшиеся на эмпирические потенциалы среднего поля и спаривания, не дают надежной экстраполяции в области высокой изотопической асимметрии. Строгое соотношение между самосогласованным полем и зависящим от плотности эффективным взаимодействием в конечных ферми-системах, удерживаемых внутренними силами [1, 2, 3], позволяет описать переход от стабильных к бета-нестабильным ядрам, а в предельном случае к слабо связанным системам вблизи линий нуклонной нестабильности.

Наиболее сложны для описания слабо связанные ядра вблизи границы нейтронной неустойчивости, в которых экспериментально наблюдаются необычные топологии распределения ядерной плотности (ядерное "гало"), и соответствующие "мягкие" ядерные моды. Эти новые эффекты - результат смены динамики ядерного среднего поля корреляционной динамикой слабо связанной квантовой системы. В частности, для таких ядер спаривание уже нельзя рассматривать как малое возмущение (Д > где Д - спари-вательный потенциал, ц - химический потенциал) - необходимо учитывать рассеяние квазичастиц в континуум, и уравнения как для основных, так и для возбужденных состояний существенно модифицируются.

Изучение ядер с экстремальной изотопической асимметрией выходит за рамки данной работы. Нас интересуют ядра, близкие к траекториям г-процесса с характерными энергиями отделения нейтронов Sn > 2-3 МэВ ^> Д, для которых еще существен режим среднего ядерного поля. Предсказания их свойств должны основываться на самосогласованной экстраполяции среднего поля, эффективного NN-взаимодействия и результирующей ядерной динамики в области сильной изотопической асимметрии. Это особенно отчетливо проявляется для ядер, вовлеченных в r-процесс. Его траектория по ядерной карте определяется значениями ядерных масс сильно нейтронно-избыточных ядер, а временной масштаб периодами (3-распада и сечениями нейтринного захвата ядер, близких к пути r-процесса. Эти характеристики должны рассчитываться когерентно, исходя из самосогласованного описания основных состояний.

Основное внимание в диссертации уделено двум принципиальным проблемам. Первая - это приближенное самосогласованное описание свойств ядер в режимах нормального и высокого изоспина. Вторая - обусловлена астрофизическими потребностями и связана с прогнозированием ядерных данных (масс и скоростей процессов слабого взаимодействия) для нескольких тысяч экспериментально недоступных сильно нейтронно-избыточных ядер, вовлеченных в r-процесс нуклеосинтеза. Эти проблемы взаимосвязаны так как требования к ядерным моделям для предсказания ядерных данных для экспериментально неизвестных ядер столь же высоки, как и для теоретических исследований свойств экзотических ядер.

К числу рассмотренных в диссертации ядерно-астрофизических приложений относятся быстрый нуклеосинтез (так называемый r-процесс), отвечающий за производство тяжелых нуклидов, и р-процесс, в котором образуются редчайшие в солнечной системе нуклиды - шЬа, 180Та. В классическом сценарии r-процесса, наряду с многократным нейтронным захватом на зародышевых ядрах 56Fe, необходимо учитывать реакции /3-распада образующихся нейтронно-избыточных ядер [4]. Эта схематичная модель г-процесса не объясняет особенностей его термодинамики (характерная температура : 109К), ни природы интенсивного нейтронного потока (Nn ~ 1020-30 см ). Предложенные сценарии г-процесса [5, б, 8, 7, 9, 10] учитывают еще и процессы слабого взаимодействия нейтронно-избыточной материи с интенсивным потоком нейтрино, уносящих гравитационную энергию кол-лапсирующей звезды ~ 1053эрг. Для объяснения производства редких элементов в р-процессе важен учет процессов неупругого рассеяния нейтрино за счет нейтральных и заряженных электрослабых токов [11, 12, 44].

Во всех этих моделях, помимо чисто астрофизических неопределенностей, присутствуют неопределенности, связанные с прогнозированием масс и скоростей слабых взаимодействий для нескольких тысяч экзотических ядер. Наибольшую "ядерно-физическую" погрешность в моделирование процессов нуклеосинтеза в звездах вносят используемые массовые формулы. Среди феноменологических подходов наиболее популярна "микро-макро" или FRDM модель (finite range droplet model [13], в которой полная энергия связи разделяется на макроскопическую и микроскопическую части, независимым образом параметризованные для ядер вблизи линии стабильности. Вблизи линии стабильности массы, рассчитанные в FRDM и в других массовых формулах, фитированы к экспериментальным данным. В областях сильной изотопической асимметрии предсказания различных моделей кардинально расходятся, но критерии обоснованности экстраполяции для эмпирических моделей отсутствуют.

Требование надежной экстраполяции ядерных масс заставляет обратиться к поиску микроскопических массовых формул, основанных на универсальном энергетическом функционале плотности (универсальном ядерном лагранжиане, универсальном эффективном NN-взаимодействии) с относительно небольшим числом параметров, определенных из фитирования результатов самосогласованных расчетов масс к экспериментальным массам для ограниченного числа ядер [2, 14, 15, 16, 17, 18] или ко всем экспериментально измеренным массам [19].

До недавнего времени расчеты полных таблиц ядерных масс, основанных на эффективном NN-взаимодействии с параметрами, фитироваными к более чем 1800 экспериментально измеренным массам, были практически неосуществимыми в приближении Хартри-Фока со спариванием в рамках теории БКШ (далее HF-BCS), а тем более в приближении Хартри-Фока-Боголюбова-Де Гинеса (HFBG), из-за огромного объема вычислений. Единственной возможностью для такого рода расчетов было так называемое обобщеннное приближение Томаса-Ферми, дополненное учетом интегральной поправки Струтинского - ETFSI (extended Thomas-Fermi + Strutinski integral) [19]. Это вариационное приближение к HF методу, по существу является массовой формулой "микро-макро" типа, однако степень когерентности ее микро- и макроскопических компонент выше, чем в FRDM модели - в ETFSI подходе обе эти части базируются на едином эффективном NN-взаимодействии Скирма. В подходе ETFSI-1 ядерные массы описываются с точностью, сравнимой с полученной в эмпирическом подходе FRDM. Однако силы Скирма SkSC4, используемые в массовой формуле ETFSI-1, приводят к нефизическому коллапсу нейтронной материи при плотностях порядка ядерной плотности. Возникает задача разработки новой массовой формулы ETFSI для описания ядер с экстремальным нейтронным избытком и нейтронных звезд.

Самосогласованная постановка задачи о глобальных расчетах ядерных масс и периодов /^-распада для моделирования r-процесса до сих пор не рассматривалась. Для глобальных расчетов периодов /3-распада использовался статистический подход, а затем - полумикроскопические модели со схематическим эффективным NN-взаимодействием и эмпирическими потенциалами среднего поля и спаривания. Согласованных расчетов периодов /^-распада, основанных на массовых формулах ETFSI и HFBCS не существовало. Это явилось одной из основных целей диссертации, содержание которой отражено в работах [20] - [49].

Точность расчетов скоростей ядерных процессов слабого взаимодействия также влияет на моделирование r-процесса. Несмотря на малость их сечений, ядерные процессы слабого взаимодействия обеспечивают трансмутацию зародышевых ядер группы железа в ядра большего заряда и определяют макроскопический временной масштаб r-процесса. Глобальные расчеты скоростей процессов слабого взаимодействия представляют наибольшие трудности с точки зрения теории структуры ядра. Действительно, время жизни по отношению к быстрому каналу /3-распада Гамова-Теллера (GT) определяется энергетическим распределением в пределах окна /3-распада малой доли (1-2%) безмодельного правила сумм Икеды 3(N-Z). Предсказания различных ядерных моделей дают сильный разброс периодов /^-распада, практически не нарушая при этом правила сумм. Масштаб отклонений особенно велик для сферических ядер вблизи заполненных нейтронных оболочек N=50, 82, 126, а именно эти ядра определяют время протекания г-процесса.

Существенным недостатком предыдущих микроскопических подходов было использование приближения разрешенных переходов. Фактически, не была достаточно изучена роль оболочечных эффектов в высокоэнергетическом /?-распаде. Еще эксперименты [50] указывали, что для некоторых ядер вблизи нового дважды-магического ядра 132Sn высокоэнергетический /^-распад первого запрета (FF) может быть более вероятным, чем низкоэнергетический GT-распад. Однако в рамках последовательно микроскопического подхода систематический анализ вкладов GT-переходов и переходов первого запрета в периоды /^-распада ядер вблизи заполненных нейтронных оболочек до сих пор не проводился.

Для современных моделей ^-нуклеосинтеза в г- и р-процессах требуются сечения процесса, обратного /^-распаду - нейтринного захвата, определяющиеся /^-силовой функцией как в пределах, так и вне энергетического окна /?-распада. Итак, для последовательного анализа г- и р-процессов необходимы согласованные предсказания ядерных масс и /^-силовых функций в широком энергетическом диапазоне, включая область континуума.Такая задача в рамках микроскопических моделей, применявшихся до недавнего времени для глобальных расчетов /^-силовых функций не рассматривалась. Более того, при расчетах периодов- /^-распада силовая функция вне окна /?-распада, включая гигантский резонанс Гамова-Теллера (GTR), как правило не рассчитывалась и не контролировалась.

Возможность микроскопических глобальных расчетов периодов /3~-распада была показана в трехуровневой RPA модели [51], в которой использовалось спин-изоспиновое взаимодействие Ландау-Мигдала с одним параметром д', определенным из условия 811(4)-симметрии Вигнера.

В работах [52, 53] использовалось зарядово-обменное квазичастичное приближение случайной фазы (pnQRPA, далее просто QRPA), эмпирические массовая формула и потенциалы среднего поля, сепарабельное NN-взаимодействие в каналах частица-дырка (ph) и частица-частица (рр). Расчеты выполнялись в приближении разрешенных GT-переходов. Упрощенный BCS+RPA вариант модели был развит в [54] и применялся для расчетов полных таблиц периодов /3-распада в [55]. В этой модели исключалось из рассмотрения эффективное NN-взаимодействие в канале рр, что нарушает SO (8) симметрию QRPA уравнений [56, 57]. Простой способ исключения рр-взаимодействия сводится к использованию RPA приближения без учета BCS спаривания - это отвечает симметрии Вигнера SU(4).

В задачах о спин-изоспиновом отклике ядер исключать взаимодействием в канале рр (при сохранении парных корреляций на уровне BCS) некорректно. В полных QRPA уравнениях рр-взаимодействие существенно подавляет вероятности /?+-распада [58, 59] и периоды /?~-распада [22, 23, 24]. Как показано в работах [32, 39], духовые эффекты за счет нарушения симметрии QRPA могут приводить к искусственному усилению (до нескольких порядков) четно-нечетных различий периодов /?~-распада соседних изотопов, что не подтверждается экспериментальными данными CERN [60, 49]. Сечения захвата электронных нейтрино ядрами менее чувствительны к рр-взаимодействию и могут рассчитываться в рамках RPA. Однако в известных RPA расчетах (и — А) сечений [61] эмпирические потенциалы среднего поля варьировались с целью воспроизвести положение изобарического аналогового состояния (IAS) в ядрах среднего веса. Это не устраняет принципиальных трудностей, связанных с несогласованным описанием энергий IAS, и к тому же может искажать GT-силовые функции как при низких, так и при высоких энергиях.

Итак, до недавнего времени не существовало подходов к глобальным расчетам скоростей процессов слабых взаимодействий, основанных на самосогласованных расчетах основных состояний (ядерных масс), а модели, применявшиеся для расчета скоростей слабых ядерных процессов, можно назвать схематичными. Естественно возникает задача - описать массы ядер и скорости слабых взаимодействий (насколько это возможно) самосогласовано, в рамках единого, универсального функционала плотности (или эффективного NN-взаимодействия).

Основная цель диссертации состоит в развитии приближения к самосогласованному подходу для теоретического прогнозирования ядерных масс и скоростей процессов слабого взаимодействия ядер с высокой изотопической асимметрией и применении его к теоретическому анализу экспериментов на пучках радиоактивных ионов и к моделированию процессов астрофизического нуклеосинтеза элементов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

В диссертации разработан подход к глобальным расчетам свойств спин-изоспиновых возбуждений ядер в рамках теории локального энергетического функционала плотности (EDF). Для самосогласованного описания основных состояний использованы HF+BCS и обобщенное приближение Томаса-Ферми с интегральной поправкой Струтинского (ETFSI).

Впервые развит подход к зарядово-обменным возбуждениям сверхтекучих ядер в самосогласованной теории конечных ферми-систем (ТКФС) с точным учетом непрерывного спектра, аналогичный CQRPA с учетом спаривания и эффективных спин-изоспиновых NN-взаимодействий в каналах частица-дырка (ph) и частица-частица (рр).

Из анализа спектров и поляризационных характеристик реакций перезарядки (p,n), (р,п) найдена константа ТКФС для эффективного спин-изоспинового NN-взаимодействия нуклонов в канале частица-частица.

Впервые в рамках EDF+CQRPA подхода рассчитаны периоды /^-распада для ~ 800 сферических ядер, наиболее важных для динамики r-процесса, а также сечения захвата электронных нейтрино (антинейтрино) на стабильных и нестабильных нейтронно-избыточных (дефицитных) ядрах с Z>26 вплоть до линии нейтронной (протонной) устойчивости.

Развита микроскопическая модель учета вклада переходов первого запрета в периоды /^-распада. Показан их определяющий вклад в периоды /^-распада ядер вблизи заполненных нейтронных оболочек с N= 82, 126.

Использование ядерных масс и сечений захвата электронных нейтрино (антинейтрино), рассчитанных в рамках ETFSI+CQRPA, позволило впервые количественно объяснить экспериментальную распространенность редкого изотопа 138La (138La / 139La =10 4) в солнечной системе.

На защиту выносятся следующие основные положения

1. В самосогласованной ТКФС развито приближение для глобальных расчетов скоростей процессов слабого взаимодействия в атомных ядрах, удаленных от долины стабильности. Оно базируется на описании основных состояний исходя из локальных энергетических функционалов плотности.

2. Впервые для расчета свойств зарядово-обменных возбуждений в самосогласованной ТКФС развита модель с точным учетом одночастичного континуума, спаривания с блокировкой нечетной квазичастицей и эффективного спин-изоспинового NN-взаимодействия в каналах рр и ph.

3. Найден новый вариант сил Скирма SkSC17, позволяющий описать свойства нейтронной материи и рассчитать в ETFSI-2 приближении ядерные массы с высокой точностью (среднеквадратичное отклонение фита к 1722 экспериментально известным массам - 720 кэВ). В рамках ETFSI-2 приближения предсказаны массы экспериментально неизвестных нейтронно-избыточных ядер вплоть до линии нейтронной устойчивости.

4. Из теоретического анализа спектров реакций перезарядки (р, п) и (п,р) при промежуточной энергии и их поляризационных характеристик определена константа эффективного спин-изоспинового NN-взаимодействия теории конечных ферми-систем в канале частица-частица. Предсказаны факторы подавления полной силы /?+-переходов Гамова-Теллера в нейтронно-дефицитных ядрах и сделан вывод о потере части /3+-силы в ряде экспериментов.

5. В рамках ETFSI+CQRPA приближения предсказаны периоды /3-распада Гамова-Теллера для 800 сферических и околосферических ядер, важных для моделирования r-процесса. Рассчитаны сечения захвата электронных нейтрино и антинейтрино для всех стабильных и нестабильных ядер с Z>26. Впервые показана важность учета эффективного взаимодействия в канале частица-частица для корректного описания четно-нечетных эффектов в периодах /3-распада.

6. Предложен новый метод расчета вкладов переходов первого запрета в периоды /^-распада. На основе HF+BCS+CQRPA расчетов вблизи замкнутых нейтронных оболочек N=50,82,126 впервые показана определяющая роль оболочечных эффектов в высокоэнергетическом /^-распаде. Сделан вывод о доминировании высокоэнергетических переходов первого запрета для тяжелых экзотических ядер с N«82, Z>50 и N=126, Z=60-70, важных для анализа r-процесса нуклеосинтеза. Предсказанные периоды /^-распада подтверждаются результатами недавних экспериментов в области нейтронно-избыточных изотопов

133-138Sn и

7. Предсказанные массы ядер и скорости слабых процессов использованы для астрофизического моделирования г- и р-процессов нуклеосинтеза в Сверхновых II типа. Изучено влияние периодов /^-распада на распространенности нуклидов, рассчитанных в различных моделях r-процесса. Впервые показано, что экспериментальная распространенность редкого изотопа

138La в солнечной системе объясняется его производством в реакции 138Ba(z/,e-).

Практическая значимость диссертации. Разработанные в диссертации программы использовалось для анализа экспериментов по спин-изоспиновым возбуждениям атомных ядер: в реакциях (р,п), (п,р) при низких энергиях (ФЭИ, Обнинск [20, 22, 23] и промежуточных энергиях (UICF [26]), в реакциях (6Li, 6Не) (Курчатовский Институт [62]). Были также выполнены расчеты для разработки In-F детектора солнечных нейтрино и реакторных антинейтрино (Курчатовский Институт [29]).

Подход, базирующийся на самосогласованном описании основных состояний, особенно эффективен для предсказания характеристик спинизоспиновых возбужденный в ядрах, удаленных от долины стабильности. Он применялся для анализа результатов и постановки экспериментов в области нейтронно-дефицитного дважды магического ядра 100Sn (GSI Collaboration [27]), для анализа экспериментов в области 146Gd (ЛИЯФ [24]). В настоящее время результаты, полученные в диссертации, используются для постановки новых экспериментов по поиску новых нейтронно-избыточных нуклидов в области дважды-магического 78Ni и в области к "востоку" от 208Pb (ISOLDE,CERN - IKS, Leuven Collaboration [49]) и исследованию их /5-распадных свойств.

Развитый в диссертации подход активно используется для астрофизических приложений. На основе глобальных расчетов периодов /^-распада и сечений захвата электронных нейтрино (антинейтрино) сформированы разделы электронной библиотеки ядерных данных для астрофизических приложений www-astro.ulb.ac.be (Таблицы ядерных масс: [Masses. ETFSI-2], Таблицы периодов /^-распада: [Beta-decay], Таблицы сечений захвата нейтрино (анти-нейтрино): [Neutrino (anti-neutrino) cross sections]).

Соавторство. Часть работ по теме диссертации (разделы 3.1 и 3.4) выполнены в соавторстве с С.А.Фаянсом (Курчатовский институт), Е.Л.Трыковым (основные результаты из разделов 3.1 и 3.4 включены в его кандидатскую диссертацию). Микроскопические расчеты спектров зарядово-обменных реакций (3.2) выполнены совместно с Ф.А.Гареевым, С.Н.Ершовым, Н.И.Пятовым (ОИЯИ, Дубна). Глобальные расчеты ядерных масс (раздел 2.2) и астрофизические расчеты (глава 5) проводились в рамках международного сотрудничества с Брюссельским Университетом по теме "Свойства ядер, удаленных от стабильности и ядерные данные для астрофизики". Эти работы опубликованы совместно с F. Tondeur, J.M.Pearson, M.Arnould, S.Goriely, M.Rayet.

Апробация диссертации. Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на семинарах ГНЦ РФ ФЭИ (Обнинск); РНЦ "Курчатовский институт" (Москва); ОИЯИ (Дубна); ИТЭФ (Москва); Института астрофизики (Брюссель); Института теории ядра (Сиэттл, США), Института теории ядра (Орсэ, Франция), ежегодных совещаниях по "Структуре ядра и ядерной спектроскопии" (1989-1991); международных конференциях "Nuclei Far from Stability" (1992, Bernkastel-Kues, Germany, 1995 Aries, France); "Tours Conference on Nuclear Physics", (Tours, France, 1997, 2003); "Stellar abundances and nucleosynthesis" (Сиэттл, США, 2002), на IV-VI международных симпозиумах "Nuclei in the Cosmos" (1996, Notre Dame, USA; 1998, Volos, Greece; 2000, Aarhus, Denmark); международных симпозиумах "Nuclear Many-Body Problem-2001, (Brijuni, Croatia, 2001), "Nuclear astrophysics' и "Nuclear Structure and Dynamics at the Limits", (Hirschegg , Austria, 1998, 2003), "Relativistic Nuclear Models for Physics of Radioactive Beams", (Bad-Honn-ef, Germany, 2003), NSRT-03 (Дубна, 2003) и на ежегодных международных рабочих совещаниях "Meeting of Nuclear Astrophysicists and Nuclear Physicists" (Brussels, 1993-2002).

Публикации. Включенные в диссертацию результаты опубликованы в 24 работах [20-24, 26-27,29, 31-35, 37-39, 41-48], часть материала вошла в обзоры [37, 47]. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 238 страниц текста с 41 рисунком, 17 таблицами и библиографический список литературы из 267 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Борзов, Иван Николаевич

Заключение

1. Основной результат диссертации - развитое приближение к полностью самосогласованному подходу, позволяющее провести глобальные расчеты свойств основных состояний и скоростей процессов слабого взаимодействия в ядрах, удаленных от стабильности. Самосогласованное описание основных состояний экспериментально неизвестных ядер, исходя из локальных функционалов плотности скирмовского типа, значительно повышает предсказательную силу подхода. Расчеты силовых функций основаны на универсальных и взаимно независимых эффективных спин-изоспиновых NN-взаимодействиях в каналах ph и рр и универсальных факторах подавления силы мультипольных спин-изоспиновых возбуждений, которые определяются из экспериментов по спиновому отклику ядер. Это позволяет исключить прямую нормировку на изучаемые скорости слабых ядерных процессов. (Таким образом, при расхождении теоретических предсказаний и экспериментальных данных, акцент делается не на параметризацию, а на поиск физических механизмов, позволяющих его устранить.)

На практике преимущества универсального описания силовых функций проявляются лишь в рамках технически сложного подхода к описанию динамики спин-изоспиновых возбуждений. Они рассматриваются в рамках теории конечных ферми-систем (ТКФС) - с сохранением симметрии полных уравнений квазичастичного приближения случайной фазы и с точным учетом одночастичного континуума (CQRPA). Именно это позволяет ввести в рассмотрение универсальные параметры независимых эффективных спин-изоспиновых NN-взаимодействий в каналах ph и рр и универсальные локальные заряды квазичастиц.

2. Разработан функционал DF3 [31], предназначенный специально для описания одночастичных состояний нейтронно-избыточных ядер и их (3-распадных характеристик. Точность расчетов масс в рамках DF3 (с использованием регуляризированного спаривания) несколько ниже, чем для ETFSI-2, однако функционал DF3 надежно описывает экспериментальные одночастичные энергии в 132Sn.

Для глобальных расчетов масс разработан новый вариант взаимодействия Скирма SkSCl7, обеспечивающий одновременно: устойчивость нейтронной материи и оптимальное описание экспериментально известных масс для 1772 атомных ядер. В рамках модифицированного приближения ETFSI-2 оказывается возможным описать ядерные массы с большей точностью, чем в рамках ETFSI-1. Среднеквадратичное отклонение от 1722 измеренных масс для найденного взаимодействия Скирма SkSC17 [39] составляет 730 кэВ, а для (разностных) величин Sn,Qp - 630 и 690 кэВ, соответственно. Сравнение с недавно проведенными расчетами ядерных масс в рамках HF-BCS подхода [63] и в рамках HFBG подхода [64], показывают, что качество фита к известным ядрам и экстраполяция к удаленным ядрам в ETFSI-2 подходе вполне сравнимы с HF-BCS и HFBG.

3. В CQRPA приближении, основанном на подходе ТКФС, оказывается возможным описать экспериментальные вероятности GT-переходов в j3 каналах, не нарушая устойчивости QRPA уравнений [22, 23, 24, 29]. Показано, что за счет полноты одночастичного базиса и независимости эффективных взаимодействий ТКФС в каналах рр и ph увеличивается разность между эффективной константой, найденной из описания спектров реакций (р,п), (п,р) и критической константой рр-взаимодействия. В результате описание экспериментальных вероятностей GT-переходов достигается в области устойчивости QRPA уравнений.

В рамках развитой модели также показано, что в полных QRPA уравнениях ^-взаимодействие существенно подавляет вероятности /?+-распада, в согласии с выводом работ [58, 59]. В тоже время, оно подавляет и периоды /^"-распада [22, 23, 24]. На этот эффект, важный для глобальных расчетов периодов /^"-распада, не обращалось должного внимания в литературе. Показано также, что исключение из рассмотрения эффективного NN-взаимодействия в канале рр (динамических спаривательных корреляций) наряду с сохранением спаривания при нахождении стационарного решения для основного состояния ядра ответственно за появление духовых эффектов в /3-силовой функции. В результате квазиспиновая 80(8)-симметрия QRPA уравнений в BCS+RPA приближении нарушается [55], что приводит к духовым четно-нечетным эффектам в периодах /3-распада.

4. Развита ETFSI-2+CQRPA модель согласованного расчета ядерных масс, периодов /?-распада и сечений захвата электронных нейтрино. В рамках этой модели рассчитаны периоды /?-распада ~ 800 околосферических {fh, <0,1) ядер, важных для анализа r-процесса нуклеосинтеза в Сверхновых II типа. Развит метод учета переходов первого запрета в расчетах полных времен жизни в рамках HF+BCS+CQRPA, основанный на замене релятивистских операторов а (векторный момент) и 75 (аксиальный заряд) на операторы, зависящие только от координат и спинов нуклона [45]. Впервые показана важная роль высокоэнергетических переходов первого запрета в областях Z >50, N=82 и N=126 [45].

Проведены глобальные расчеты сечений нейтринного и антинейтринного захвата всех ядер с Z >26, расположенных между границами протонной и нейтронной неустойчивости [39, 44]. В расчетах последовательно учтены механизмы GT-возбуждения и девозбуждения в нестабильных ядрах. Показана важная роль девозбуждения в нейтронно-избыточных ядрах вблизи линии нейтронной нестабильности и в нейтронно-дефицитных ядрах.

5. Характеристики основных процессов слабого взаимодействия: бета-распада и захвата электронных нейтрино, предсказанные в рамках ETFSI+CQRPA подхода, использованы для моделирования r-процесса нуклеосинтеза в канонической модели, а+r модели и в модели "нейтринно индуцированного ветра". Проанализировано влияние используемых ядерных данных на распределения концентраций нуклидов, образующихся в r-процессе нуклеосинтеза [39].

Проведены расчеты образования нуклидов в р-процессе в моделях термоядерного и нейтринного нуклеосинтеза в массивных звездах. Показано, что для количественного объяснения изотопических распространенностей редких элементов в Солнечной системе принципиально важен дополнительный учет реакций нейтринно-ядерного рассеяния и захвата. Впервые дано количественное объяснение аномальной распространенности редкого изотопа 138La ( 138La/139La =10 4) в солнечной системе [44].

Дальнейшее развитие подхода, представленного в диссертации, в частности, предполагает его обобщение для деформированных ядер. На этой основе планируется детальное исследование процессов эмиссии запаздывающих нейтронов и запаздывающего деления.

В заключение считаю своим долгом выразить искреннюю благодарность моим друзьям и соавторам, с которыми я работал и обсуждал результаты в течение последних лет. Я с благодарностью вспоминаю Сергея Ароновича Фаянса и Николая Ильича Пятова. Я искренне благодарен Ф.А.Гарееву, С.Н.Ершову, С.В.Толоконникову и Е.Л.Трыкову за плодотворную совместную работу.

Я признателен всем сотрудникам vЛаборатории теоретической ядерной физики" ФЭИ, "Лаборатории многочастичных систем Курчатовского Института , ИТЭФ, Москва и ЛТФ, ОИЯИ, Дубна за многочисленные обсуждения работ, вошедших в диссертацию, А.В. Игнатюку, Б.Д. Кузьминову и Ю.Н.Шубину, обратившим мое внимание на проблемы, связанные с ядерными данными; Б.В.Журавлеву и А.А.Оглоблину с сотрудниками за совместную работу по анализу их экспериментов; Ю.С. Лю-тостанскому, И. В. Панову и С. И. Блинникову, заинтересовавших меня задачами ядерной астрофизики.

Значительная часть работы была выполнена в рамках международного сотрудничества. Я признателен теоретикам и экспериментаторам с которыми работал и обсуждал интересные вопросы ядерной физики и астрофизики. Это J. Zylicz, К. Rykaczewski, Е. Roeckl, H.-V. Klapdor-Kleingrothaus, W.A. Kaminski, A. Bobyk, J. Dobaczewski, W. Nazarewicz, J. Janecke, W. Hillebrandt, K. Takahashi, M. Huyse, P. Van Duppen, N. Severijns, S. Versyck, H. Oberhummer, G. Bertsch, W.Haxton, G. Fuller, N.V.Giai, E. Khan.

Я благодарен M.Arnould, J.M.Pearson, S.Goriely, M.Rayet и всем сотрудникам Института астрономии и астрофизики, Брюссельского Университета за совместную работу, гостеприимство, внимание и многочисленные обсуждения.

Особая благодарность Наталье Александровне Борзовой за большую помощь в редактировании рукописи.