Исследование альфа-кластерной структуры легких ядер тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Белов, Сергей Евгеньевич

• Белов, Сергей Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Белов, Сергей Евгеньевич

Введение

1 Теоретические подходы

1.1 Введение

1.2 Потенциальное рассеяние.

1.3 Многочастичная теория столкновений.

1.4 Метод связанных каналов (МСК).

1.5 Резонансные реакции.

1.6 Резонансная структура функций возбуждения.

2 Методика эксперимента

2.1 Введение

2.2 Рассеяние альфа-частиц на 28Б1.

2.3 Рассеяние альфа-частиц на 34'368, 35>37С1 и 23Ш.

2.4 Расчёт дифференциальных сечений.

3 Экспериментальные результаты

3.1 Результаты по рассеянию альфа-частиц на ядре 28Б

3.2 Рассеяние альфа-частиц на 34'

3.3 Рассеяние альфа-частиц на 35'37С1 и 23Ш.

4 Обработка экспериментальных результатов

4.1 Извлечение данных об энергетических зависимостях

4.2 Извлечение данных о спинах, чётностях и ширинах ре-зонансов.

4.3 Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими моделями

4.4 Структура спектров a+28Si.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование альфа-кластерной структуры легких ядер»

В последнее десятилетие в ядерной физике было сделано много открытий и возникли различные направления в исследовании свойств ядер и механизмов ядерных реакций. В той или иной степени изучались все известные ядра. Накоплен огромный экспериментальный материал, который позволяет получать информацию о механизмах ядерных реакций и внутренней структуре ядер, но не все наблюдаемые явления получили теоретическое описание.

Ядра с А<40 изучались также интенсивно, и многие свойства ядер из этой области не получили адекватного теоретического объяснения. В качестве примера можно привести такое явление как аномальное рассеяние назад (АРН) альфа-частиц при их рассеянии на этих ядрах. Более чем полувековые исследования не дали исчерпывающего объяснения природы этого явления. Более того, дальнейшие исследования в этой области выявили дополнительные моменты, требующие объяснения. С улучшением техники эксперимента выяснилось, что наряду с эффектом АРН существует так называемый эффект фрагментации альфа-кластерных состояний. За последние десять лет этот эффект также не получил своего объяснения ни в одной из существующих моделей. Видимо, эти два явления тесно переплетены между собой.

Более того, возможно, что они—следствие какого-то явления, которое мы ещё не видим. На настоящий момент не существует кластерной модели, полностью описывающей фрагментацию. Причина этого кроется не только в отсутствии новых идей, но и в недостаточном количестве экспериментального материала. Всё это даёт новый импульс для дальнейшего исследования квази-молекулярных структур. Рассеяние и реакции передач альфа-частиц являются наиболее мощным инструментов для изучения альфа-кластерной структуры ядер. Попытки описать оба явления показали необходимость проведения комплексных экспериментов на уровне, более высоком, нежели прежде. Это распространяется не только на оборудование, но и на методику измерений. Настоящая экспериментальная работа является шагом в этом направлении.

Цель настоящей работы—проведение экспериментов на новом уровне и дальнейшее изучение функций возбуждения и угловых распределений рассеянных альфа-частиц на изотопах кремния, серы, хлора и натрия и получение максимально правдоподобных данных о квантовых характеристиках наблюдаемых в экспериментах резонансных состояний. Эксперименты были проведены на циклотроне Або Академии г. Турку (Финляндия) (изотопы 34,36Я), циклотроне НИИ "ГИРИКОНД" СПб (РФ) (изотопы 35>37С1 и 23Ш) и на ускорительном комплексе Флоридского Университета (США) (изотоп 2831). В настоящей работе проанализированы экспериментальные данные по рассеянию альфа-частиц на лёгких ядрах, полученные за последние десять лет и новые данные, полученные в настоящей работе, которые существенно дополняют прежние. Эксперимент, проведённый в США, от предыдущих отличают лучшее энергетическое разрешение, меньший шаг по энергии и углу. Кроме того, одновременно измерены функции возбуждения основного и первых возбуждённых состояний и угловые распределения рассеяных альфа-частиц. Это позволило обнаружить новые резонансы в функциях возбуждения а+2831. В теоретическом плане показано, что резонансная структура функций возбуждений может быть описана на основе резонансной теории и, следовательно, это не статистические флуктуации. На основе 11-матричной теории получены параметры резонансных состояний. При этом были получены расчётные формулы, усовершенствованы старые и написаны новые программы для проведения расчётов.

Работа выполнена под руководством А. Е. Антропова (Циклотронная лаборатория НИИФ СПбГУ), в тесном контакте с К. А. Гридневым (НИИФ СПбГУ) и М. Бреннером (Або Академия, г.Турку, Финляндия), вместе с которым получены экспериментальные данные на Флоридском ускорителе.

На защиту выносятся:

• методика измерения функций возбуждения а+2881 и метод обработки экспериментальных данных;

• результаты экспериментов — функции возбуждения и угловые распределения сН-2831, функции возбуждения а+35'37С1, а+23Ка, функции возбуждения и угловые распределения а+34'363;

• результаты расчётов по ОМ и МСК с учётом резонансной теории, квантовые характеристики резонансных состояний, наблюдаемых в функциях возбуждения сН-2881 — положения, спины и чётности, полные и парциальные ширины;

• результаты расчётов системы уровней компаунд-ядра 328(сН-2881) по модели барьера и солитонной модели.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Белов, Сергей Евгеньевич

Заключение

Кратко сформулируем основные результаты работы:

• Измерены функции возбуждения основного состояния (0+) и состояний (2+ и 4+) 28Si в интервале энергий налетающих альфа-частиц от 14.3 до 15.425 МэВ в лабораторной системе. Измерения проведены в угловом диапазоне от 150 до 173.4° в лабораторной системе при 9 углах (для 4+ данные получены только для угла 173.4°);

• Проведена обработка первичного экспериментального материала при рассеянии альфа-частиц на изотопах 34'36S. Получены функции возбуждения основного и первых возбуждённых состояний в интервале энергий налетающих альфа-частиц от 13.2 до 15 МэВ в лабораторной системе. Получены угловые распределения для некоторых энергий;

• Проведены измерения функций возбуждения основного состояния 23Na, а также основного и возбуждённых состояний 35'37С1 в интервале энергий налетающих альфа-частиц от 10.96 до 11.33 МэВ;

• Проверена новая методика измерения функций возбуждения и угловых распределений рассеянных альфа-частиц в традиционной геометрии;

• Разработаны программные средства для обработки первичных экспериментальных данных при многоканальных измерениях;

• Получены квантовые характеристики резонансных состояний системы положения, спины и четности, полные и парциальные ширины. Энергия возбуждения от приблизительно 19 до 20 МэВ;

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы:

• Все функции возбуждения проявляют резонансный характер, демонстрируя острые и узкие пики независимо от ядра мишени.

По сравнению с упругими каналами сечения в неупругих каналах уменьшаются в среднем на один порядок;

• Имеет место изотопическая зависимость величины сечений.

Сечения уменьшаются по мере добавления избыточных нейтронов сверх заполненной оболочки от ~

102 до ~ 10° мб/ср;

• Наряду с явно выраженными резонансами со спином 3=8 в рассматриваемом диапазоне энергий также присутствуют резо-нансы со спином 3=9, 7 и 5.

Для оценки переданного углового момента при рассеянии альфа-частиц на изотопах 28Б1 и 34>368 угловые распределения анализировались при помощи полиномов Лежандра. Более строгие расчёты для изотопа 28Б1 проведены в рамках оптической модели и метода связанных каналов с учётом резонансной теории. На основе резонансной теории получены квантовые характеристики наблюдаемых резонансных состояний;

• Уровни с одинаковым значением 3 оказываются фрагментиро-ванными.

Средняя энергия групп резонансов с одинаковым Л линейно зависит от величины Л(Л+1), что указывает на наличие вращательных степеней свободы в системе сН-2881. Наличие фрагментации указывает на наличие колебательных степеней свободы в системе;

• Момент инерции системы a+28Si не совпадает с вычисленными по традиционным подходам.

Коэффициент при члене Л(Л+1) определяет момент инерции 4.39 Н2/МэВ, что соответствует расстоянию между центрами ядра и альфа-частицы 7.2 фм. Это расстояние приблизительно равно расстоянию, на котором находится барьер эффективного потенциала. Это указывает на то, что эти состояния могут быть следствием барьера. Такие состояния являются аналогом классического орбитирования. Однако фрагментация состояний с одинаковыми значениями Л не может быть объяснена в таком подходе;

• Оптическая модель и метод связанных каналов без учёта резонансных членов не воспроизводят экспериментальные результаты в задних углах.

Для описания функций возбуждения был использован потенциальный подход и проведены расчёты по оптической модели и по методу связанных каналов с учётом резонансной теории. В качестве потенциалов использовался оптический потенциал с вудс-саксоновским форм-фактором и вудс-саксоновским в квадрате.

Параметры потенциалов определялись оптимальной подгонкой в пиках и провалах функции возбуждения с учётом ограниченного числа резонансов;

Возникающие резонансные состояния распадаются в два и более каналов реакции.

Функции возбуждения упругого и неупругих каналов скоррели-рованны, что указывает на существование резонансов, распадающихся в два и более каналов. Сумма парциальных ширин меньше полной ширины состояний, что указывает на наличие других каналов распада;

Существуют резонансы, которые могут рассматриваться как взаимодействующие с состояниями возбуждённого кора.

Не все резонансы, появляющиеся в неупругом канале, появляются в упругом. Это может указывать на существование альфа-частичных состояний, взаимодействующих с состояниями возбуждённого кора;

Функции возбуждения содержат периодические структуры.

Корреляционный и Фурье-анализ функций показывает наличие в функциях возбуждения периодических структур. Такие периоды в функциях возбуждения отвечают определённым модам в ротационно-вибрационной модели, а наибольший период 660 кэВ соответствует солитонным модам;

Кратность частот в Фуръе-спектрах указывает на нелинейный характер взаимодействия осцилляторов в ядре.

То, что периоды, извлечённые при помощи Фурье-анализа оказываются кратными, может быть связано с наличием в ядре нелинейных эффектов при взаимодействии альфа-кластеров друг с другом;

• Поверхностный слой ядра состоит преимущественно из бозонов (альфа-кластеров ).

Наличие в спектрах резонансов с различными чётностями указывает на существование полос альфа-кластерных состояний со смешанной чётностью, что не может быть объяснено подходами, основанными на взаимодействии фермионов. Тем самым, экспериментальные данные указывают на наличие бозонов в поверхностном слое ядра;

• Экспериментальный момент инерции указывает на возможную структуру компаунд-системы в виде а+16 Окор аХ4+12 Сслой

Альфа-частица в виде солитона на поверхности ядра представляет собой новый вид нелинейной деформации ядерной материи. Фрагментация альфа-кластерных состояний может являться следствием нелинейных колебаний альфа-кластеров в атмосфере ядра;

Любая теория сравнивается с экспериментальными данными. Для дальнейшего развития альфа-кластерных теорий нужны новые экспериментальные результаты—в первую очередь квантовые характеристики энергетических уровней в компаунд-системах. Поэтому для надёжного определения квантовых характеристик альфа-кластерных состояний необходимы комплексные эксперименты, позволяющие измерить: (1) угловые распределения рассеянных альфа-частиц во всём угловом диапазоне с шагом по углу не более 2°; (2) функции возбуждения в упругом и максимально возможном числе неупругих каналов в интервале энергий от нескольких МэВ до 25-30 МэВ. Кроме того, интервал между экспериментальными точками не должен превышать 5 кэВ, а энергетическое разрешение должно быть не хуже 15 кэВ.

Новые эксперименты должны расширить наше понимание структуры лёгких ядер и механизмов ядерных реакций.

В заключение хочется выразить благодарность моему научному руководителю Антропову А.Е. за руководство, постоянную помощь и обсуждения результатов работы, Гридневу К.А., который на протяжении последних лет принимал участие в руководстве моей работой, М. Бреннеру за предоставленную возможность непосредственно принять участие в постановке и проведении экспериментов в США, за обсуждение идей и подходов, использованных в настоящей работе. Также выражаю благодарность Лазареву В.В. за обсуждения вопросов резонансной теории и предоставленные компьютерные программы, Тайбину Б.З. за обсуждение вопросов корреляционного и Фурье-анализа, сотрудникам циклотронной лаборатории и мастерских.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Белов, Сергей Евгеньевич, 2000 год

1. К. Wildermuth and Y.Tang, A Unified Theory of the Nucleus (Academic Press, NY, 1977)

2. A.M.Lane and R.G.Thomas, Rev. Mod. Phys., 30 (1958) 257

3. S.Ali and A.R.Bomder, Nucl. Phys., 80 (1966) 99

4. V.G.Neudatchin at al., Phys. Lett. B, 34 (1971) 581

5. K.Langanke and H.Friedrich, in Advanses in Nuclear Physics, ed. by J.W.Negele and E.Vogt (Plenum Press, New York-London, 1986) 223

6. F.Michel et al., Phys. Rev. C, 28 (1983) 1904

7. F.Michel et al., Phys. Rev. C, 37 (1988) 292

8. A.Bredbacka et al., Nucl. Phys. A, 574 (1994) 397

9. R.Stock et al., Phys. Rev. C, 6 (1972) 1226

10. J.S.Eck at al., Nucl. Phys. A, 255 (1975) 157

11. H.Schmeing and R.Santo, Phys. Lett. B, 33 (1970) 219

12. W.Trombik et al., Phys. Rev. C, 9 (1974) 1813

13. К.А.Гриднев и А.А.Оглоблин, ЭЧАЯ, 6 (1975) 393

14. Б.И.Барц и др., Изв. АН, сер. физ., т.44, № 5, (1980) 955

15. Y.Kondo et al, Prog, of Theor. Phys., vol. 53, № 4, (1975) 1006

16. P.Manngard et al., Nucl. Phys. A,504 (1989) 130

17. Yang Yong-Xu and Li Qing-Run, Europhys. Lett., 21 (6), (1993) 657

18. M.Brenner, Alpha-Nucleus Interaction Beyond Woods-Saxon in

19. Clustering Phenomena in Atoms and Nuclei", eds. M.Brenner et al.,o1.t. Conf. on Nucl. and Atom. Clusters, 1991, Abo Akademi, Turku, Finland, p. 32719 20 [21 [2223 24 [25 [26 [27 [28 [29 [303132 33 [34 [35 [36 [37 [38 [39

20. B.R.Fulton, Z. Phys. A, 349, (1994) 227

21. M.Brenner, Z. Phys. A, 349 (1994) 233

22. J.C.Corelli et al., Phys. Rev., 116 (1959) 1184

23. A.E.Antropov et al., 7th Intern. Conf. on Nuclear Reaction Mechanisms, ed. E.Gadioli, 1994, Varenna, p. 430

24. W.Wuhr et al., Z. Phys. A, 269 (1974) 365

25. J.J.Lawrie et al., Z. Phys. A, 325 (1986) 175

26. R.Abegg and C.A.Davies, Phys. Rev. C, 43 (1991) 2523

27. C.P.Robinson et al., Phys. Rev., 171 (1968) 1241 J.P.Aldridge et al., Phys. Rev., 167 (1968) 1053

28. D.Frekers et al., Nucl. Phys. A, 394 (1983) 189 K.-M.Kallman, thesis, Abo Akademi, 1998 K.-M.Kallman, Z. Phys. A, 356 (1996) 278

29. D.Powers et al., Phys. Rev., vol.134, № 6 В (1964) B1237

30. A.Е.Антропов и др., Изв. АН, сер. физ., т.37, № 9 (1973) 1873 C.A.Davis, Phys. Rev. С, 45, N° 6 (1992) 2693

31. M.Aliotta et al., Z. Phys. A, 352 (1995) V.Z.Goldberg et al., ЯФ, т.60, № 7, (1997) 1186

32. B.R.Fulton et al., II Nuovo Cimento, Vol. 110A, № 9-10 1015 M.Brenner et al., Heavy Ion Physics, 7 (1998) 355

33. A.Coban et al., Nucl. Phys. A, 645 (1999) 3 R.A.Lindgren et al., Phys. Lett. B, 49, № 3 (1974) 263

34. K.P.Artemov et al., Nucl. Phys. A, 320 (1979) 479

35. К.П.Артёмов и др., ЯФ, 55 (1992) 884

36. В.В.Балашов, Квантовая теория столкновений, Изд. МГУ, 1985

37. A.M.Lane, Fine Structure In Analogue States in "Isospin In Nuclear Physics", ed. D.H.Wilkinson, Amsterdam (1969)

38. Г.Брейт, Теория резонансных ядерных реакций (М., 1961)

39. John M.Blatt and L.C.Biedenharn, Rev. of Mod. Phys., vol. 24, № 4 (1952) 258

40. A.Bohr and R.Mottelson, Nuclear Structure, vol.1, p.432 (W.A.Benjamin Inc., NY,Amsterdam, 1969)

41. F.Iachello, Phys. Rev. C, 23 (1981) 2778

42. К.Б.Бактибаев и др., Изв. АН, сер. физ., т.60, № 5 (1996) 118

43. J.Cheh at al., Revista Mexicana de Physica, 43, Supplemento, 1 (1997) 69

44. N.Cindro and W.Greiner, J. of Phys., 69 (1983) 175

45. K.Kato and J.Abe, Prog. Theor. Phys., 80 (1988) 119

46. B.Sahu et al., Phys. Rev. C, 44 (1991) 2729

47. N.Cindro and W.Greiner, J. Phys. G.: Nucl. Part. Phys., 9 (1983) 175

48. S.Stringari, Phys. Rev. Lett., 77 (1996) 2360о

49. A.Rybin at al., Biennial Report of Abo Akademi, Dpt. of Physics, 1995-1997, p.16

50. K.A.Gridnev et al., Nuovo cimento, 93 (1986) 135

51. A.Ludu et al, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., 21 (1995) L41

52. A.Ludu et al., J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., 21 (1995) 1715

53. V.G.Kartavenko at al., Int. J. of Mod. Phys. E, 7, № 2 (1998) 287

54. Yu.Kogan et al., Phys. Rev. A, 55, № 1 (1997) R21

55. R.A.Brogila and W.Winther, Heavy Ion Reactions Lecture Notes (Benjamin/Cummings, Massachusetts, 1981) Vol.1, Chap.3, p. 116

56. L.Sathpathy et al, J. Phys. G, 12 (1986) 201

57. R.G.Newton, Scattering Theory of Waves and Particles (McGraw-Hill, NY, 1966), Chap. 12

58. W.A.Friedmann and C.J.Goebel, Ann. Phys., 104 (1977) 145

59. D.M.Brink, Semi-Classical Methods for Nucleus-Nucleus Scattering (Cambridge Univ., Cambridge, 1985)

60. D.M.Brink and N.Takigawa, Nucl. Phys. A,279 (1977) 159

61. K.A.Erb and D.A.Bromly, Phys. Rev. C, 23 (1981) 2781

62. A.Sandulescu and W.Greiner, Rep. Prog. Phys., 55 (1992) 1423

63. U.Abbodndanno and N.Cindro, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., 191993) 757

64. S.Romano and D.Vinciquerra, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., 201994) L57

65. P.Manngard, Z. Physik A, 349 (1994) 335

66. A.Ludu et al, 7th Intern. Conf. on Nuclear Reaction Mechanisms, ed. E.Gadioli, Varenna, 1994, p. 466

67. V.G.Kartavenko et al., Int. J. Mod. Phys. E, 5, № 2 (1996) 329

68. A.Ludu et al., Int. J. Mod. Phys. E, 1 (1992) 169

69. A.Ludu et al., Int. J. Mod. Phys. E, 2 (1993) 855

70. A.Ludu et al., J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., 23 (1997) 343

71. A.Ludu and J.P.Draayer, Phys. Rev. Lett., 80 (1998) 2125

72. J.P.Draayer et al., Rev. M. Fisica, 2 (1999) 80

73. M.Creutz, Phys. Rev. D, 12 (1975) 3126

74. R.Rajaraman, An Introduction to Solitons and Instantons in Quantum Field Theory, North-Holland, 1984

75. K.P.Artemov et al., Sov. J. Nucl. Phys., 50 (1990) 408

76. K.P.Artemov et al., Sov. J. Nucl. Phys., 55 (1992) 1460

77. K.-M.Kallman et al., Nucl. Instr. and Meth. in Nucl. Phys. A, 338 (1994) 413

78. И.И.Блехман, Синхронизация в природе и технике (М., 1983)

79. B.Gyarmati at al., J. Phys. G, 5 (1979) 1225

80. F.Michel, Phys. Lett. B, 60 (1976) 229

81. J.Raynal, "ECIS88", NEA Data Bank, NEA 0850 (1988)

82. J.B.A.England et al., Nucl. Phys. A, 388 (1982) 573

83. R.K.Sheline et al., Phys. Lett. B, 119 (1982) 263

84. M.Brenner et al., Heavy Ion Phys., 2 (1995) 269

85. В.З.Гольдберг и др., в печати в ЯФ (2000)

86. T.Ericson, Ann. Phys., 23 (1963) 390

87. Белов С.Е. и др., Изв. РАН, сер. физ., №■ 5 (2000) 1019

88. S.E.Belov et al., Heavy Ion Physics, 11 № 1-2 (2000)

89. Гриднев K.A. и др., Изв. РАН, сер. физ., №• 1 (2000) 3