За время работы Фабрики сверхтяжелых элементов (СТЭ) в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ в 2020 – 2022 годах впервые в мире были получены пять новых изотопов сверхтяжелых элементов: ²⁶⁴Lr, ²⁸⁶Mc, ²⁷⁶Ds, ²⁷²Hs и ²⁶⁸Sg. Тот факт, что за два года работы Фабрики были открыты сразу несколько неизвестных ранее изотопов, указывает на то, что это передовой исследовательский комплекс, задающий новые стандарты в области синтеза и изучения свойств сверхтяжелых элементов.

Циклотрон ДЦ-280

Лоуренсий-264 был получен в ходе первых экспериментов на Фабрике СТЭ по синтезу изотопов московия в реакции ⁴⁸Ca+²⁴³Am. Время жизни нового нуклида составило около пяти часов. Этот эксперимент повторял реакции, которые уже изучались ранее, и не только в ЛЯР, но и в научных центрах Германии, Японии, США.

«В первом же эксперименте, в этих, казалось бы, известных и хорошо изученных реакциях, мы увидели новый изотоп лоуренсия-264. Для нас это было показателем того, что Фабрика сверхтяжелых элементов действительно работает так, как было задумано и превосходит по своим возможностям установки предыдущего поколения», — прокомментировал ученый секретарь ЛЯР ОИЯИ Александр Карпов. Он добавил, что наиболее важным фактором, повлиявшим на открытие лоуренсия-264, стали хорошие фоновые условия в фокальной плоскости первого сепаратора Фабрики, DGFRS-II (Dubna Gas-Filled Recoil Separator) – он способен чрезвычайно эффективно отсеивать события, не имеющие отношения к синтезу сверхтяжелых элементов. По словам ученого, прежде считалось, что распад московия-288 идет по цепочке нескольких альфа-распадов и завершается спонтанным делением дубния-268, примерно через сутки. Однако ученым ЛЯР удалось установить, что почти в половине случаев дубний действительно делится, а в оставшихся ~50 % случаев — испускает альфа-частицу, образуя лоуренсий-264, который до этого не наблюдался. Было зафиксировано около 50 событий образования ²⁶⁴Lr из 110 событий ²⁸⁸Mc.

Сепаратор DGFRS-II

Еще одна сильная сторона Фабрики СТЭ – ее высокая производительность, что позволяет гораздо быстрее набирать статистику. Таким образом, за один эксперимент иногда удается изучить реакцию при нескольких энергиях пучка, работая при этом с предельно низкими сечениями (вероятностями) синтеза, что создает возможность получения абсолютно новой информации. Так, в 2021 году на Фабрике СТЭ было получено одно событие образования нового изотопа – московия-286, чье время жизни составляет всего 20 миллисекунд. «Мы смогли обнаружить этот изотоп именно благодаря тому, что теперь статистика набирается кратно быстрее, чем было до сих пор», — отметил Александр Карпов.

Ученый секретарь ЛЯР ОИЯИ Александр Карпов

В эксперименте 2022 года использовалась реакция, которая еще не изучалась нигде в мире – взаимодействие пучка кальция-48 с мишенным материалом тория-232. В этой комбинации были получены сразу три неизвестных ранее изотопа: дармштадтий-276 (шесть событий), хассий-272 и сиборгий-268 (по два события). Оказалось, что дармштадий-276 за доли миллисекунды испытывает альфа-распад в хассий-272, а хассий, в свою очередь, через сто миллисекунд претерпевает альфа-распад в сиборгий-268, который в течение 10-15 секунд спонтанно делится.

Основная цель этого эксперимента — подготовка к синтезу 120-го элемента Периодической таблицы. Теория предсказывает, что для реакции кальций – торий ожидалось минимальное сечение. Сечения в реакции с кальцием-48 возрастают как при перемещении к более легким элементам, так и к более тяжелым. А для 110-го элемента, дармштадтия, теорией предсказывался его минимум. «Попытаться на Фабрике синтезировать ядро, для которого ожидается выживаемость даже ниже, чем для 120-го элемента, было очень важно, чтобы продемонстрировать, что мы можем проводить эксперименты с очень низкими сечениями. Ниже, чем мы работали до сих пор. И этого тоже удалось добиться», — пояснил Александр Карпов.

Второе обстоятельство, по которому важно было провести исследование – то, что изотопы 120-го элемента, которые могут быть получены в одной из возможных реакций синтеза, будут проходить по цепочке распада через дармштадтий-276, хассий-272 и сиборгий-268. «Поэтому очень важно было получить эти ядра отдельно, изучить их свойства, чтобы потом, при наблюдении событий синтеза 120-го, у нас была твердая убежденность, что мы правильно идентифицируем ядра», — уточнил Александр Карпов.

3 новых изотопа — ²⁷⁶Ds, ²⁷²Hs и ²⁶⁸Sg — получены в реакции ⁴⁸Ca + ²³²Th

Весной 2023 года в ЛЯР ОИЯИ планируется продолжить исследование реакции кальций-торий, но уже при большей энергии пучка. Можно надеяться как на уточнение свойств только что открытого дармштадтия-276, так и на синтез других, пока еще неизвестных изотопов этого элемента, а именно дармштадтий-275 или дармштадтий-274.

«За два года работы мы смогли получить целых пять новых изотопов – это говорит о том, что Фабрика СТЭ – действительно комплекс экстра-класса для синтеза и изучения сверхтяжелых элементов», — подчеркнул ученый секретарь ЛЯР. Параметры как ускорителя, так и сепараторов Фабрики изначально были адаптированы для максимально эффективного решения задач в области физики и химии сверхтяжелых элементов. «В этот ускорительный комплекс вложен весь наш опыт по созданию ускорителей и сепараторов, который был накоплен за предыдущие десятилетия, с учетом всех идей по улучшению параметров установок. По сути, мы выложились на все 100 процентов», — сказал Александр Карпов.

Преимущество специализированного комплекса еще и в том, что ученые ЛЯР имеют возможность работать на нем практически круглогодично, тогда как время сеансов на ускорительных комплексах в других научных центрах приходится делить между исследовательскими группами, работающими в разных направлениях. «Мы имеем преимущество как во времени, так и в доступе к материалу мишеней и материалу, формирующему пучок. Ускорительный комплекс Фабрики сверхтяжелых элементов по всем показателям сейчас действительно лидер в мире», — резюмировал Александр Карпов.

---

Фабрика сверхтяжелых элементов, созданная по инициативе научного руководителя Лаборатории ядерных реакций академика Юрия Оганесяна, удерживает мировое лидерство в области синтеза и изучения свойств сверхтяжелых элементов. Торжественное открытие экспериментального корпуса Фабрики и запуск ее базовой установки – нового циклотрона ДЦ-280 – состоялись 25 марта 2019 года. Проектная интенсивность пучков ускоренных тяжелых ионов кальция-48, получаемых на ускорителе ДЦ-280, составляет 60 трлн ионов в секунду, что в 10 раз превосходит интенсивности, достигнутые на других действующих ускорителях. Одна из ключевых задач ускорительного комплекса – синтез новых сверхтяжелых элементов с номерами 119 и 120 – первых элементов восьмого периода Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Для синтеза настолько тяжелых элементов, а также для детального изучения ядерных и химических свойств элементов уже известных необходимо было существенно ― в десятки раз – повысить эффективность проводимых экспериментов, что и было сделано на Фабрике.

Для осуществления проекта силами ОИЯИ был построен современный экспериментальный корпус, оснащенный всеми необходимыми инженерными системами для обеспечения работ с высокорадиоактивными веществами. В состав Фабрики входят, помимо ускорительного комплекса ДЦ-280, два газонаполненных сепаратора ядер отдачи: DGFRS-II и GRAND.

Первый эксперимент на Фабрике, посвященный синтезу и изучению московия и продуктов его распада, прошел во втором полугодии 2020 г. Он вошел в список задач по гранту Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на 2020 – 2022 годы «Сверхтяжелые ядра и атомы: пределы масс ядер и границы Периодической таблицы Д. И. Менделеева». Научный руководитель гранта – академик Юрий Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, административный руководитель — ученый секретарь ЛЯР Александр Карпов.

Программа экспериментов по синтезу новых изотопов сверхтяжелых элементов реализуется при ведущем участии ученых ОИЯИ: среди соавторов представители России, Казахстана и Чехии. Работа ведется в сотрудничестве с учеными Ок-Риджской национальной лаборатории США и Институтом современной физики Китайской академии наук. Материал для актинидных мишеней и пучка (калиций-48) был наработан на предприятиях ГК «Росатом» (Россия).

Литература:

1. Yu.Ts. Oganessian, V.K. Utyonkov, A.G. Popeko, D.I. Solovyev, F.Sh. Abdullin, S.N. Dmitriev, D. Ibadullayev, M.G. Itkis, N.D. Kovrizhnykh, D.A. Kuznetsov, O.V. Petrushkin, A.V. Podshibiakin, A.N. Polyakov, R.N. Sagaidak, L. Schlattauer, I.V. Shirokovsky, V.D. Shubin, M.V. Shumeiko, Yu.S. Tsyganov, A.A. Voinov, V.G. Subbotin, V.V. Bekhterev, N.A. Belykh, O.A. Chernyshev, K.B. Gikal, G.N. Ivanov, A.V. Khalkin, V.V. Konstantinov, N.F. Osipov, S.V. Paschenko, A.A. Protasov, V.A. Semin, V.V. Sorokoumov, K.P. Sychev, V.A. Verevochkin, B.I. Yakovlev, S. Antoine, W. Beeckman, P. Jehanno, M.I. Yavor, A.P. Shcherbakov, K.P. Rykaczewski, T.T. King, J.B. Roberto, N.T. Brewer, R.K. Grzywacz, Z.G. Gan, Z.Y. Zhang, M.H. Huang, H.B. Yang. DGFRS-2 –A gas-filled recoil separator for the Dubna Super Heavy Element Factory. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 1033 (2022) 166640.
2. D.I. Solovyev and N.D. Kovrizhnykh. Simulations of recoil trajectories in Dubna Gas-Filled Recoil Separator 2 by GEANT4 toolkit. J. Instrum. 17, P07033 (2022).
3. Yu.Ts. Oganessian, V.K. Utyonkov, D. Ibadullayev, F.Sh. Abdullin, S.N. Dmitriev, M.G. Itkis, A.V. Karpov, N.D. Kovrizhnykh, D.A. Kuznetsov, O.V. Petrushkin, A.V. Podshibiakin, A.N. Polyakov, A.G. Popeko, R.N. Sagaidak, L. Schlattauer, V.D. Shubin, M.V. Shumeiko, D.I. Solovyev, Yu.S. Tsyganov, A.A. Voinov, V.G. Subbotin, A.Yu. Bodrov, A.V. Sabel’nikov, A. Lindner, K.P. Rykaczewski, T.T. King, J.B. Roberto, N.T. Brewer, R.K. Grzywacz, Z.G. Gan, Z.Y. Zhang, M.H. Huang, and H.B. Yang. Investigation of ⁴⁸Ca-induced reactions with ²⁴²Pu and 238²³U targets at the JINR Superheavy Element Factory. Phys. Rev. C 106, 026412 (2022).
4. Yu. Ts. Oganessian, V. K. Utyonkov, N. D. Kovrizhnykh, F. Sh. Abdullin, S. N. Dmitriev, D. Ibadullayev, M. G. Itkis, D. A. Kuznetsov, O. V. Petrushkin, A. V. Podshibiakin, A. N. Polyakov, A. G. Popeko, R. N. Sagaidak, L. Schlattauer, I. V. Shirokovski, V. D. Shubin, M. V. Shumeiko, D. I. Solovyev, Yu. S. Tsyganov, A. A. Voinov, V. G. Subbotin, A. Yu. Bodrov, A. V. Sabel’nikov, A. V. Khalkin, V. B. Zlokazov, K. P. Rykaczewski, T. T. King, J. B. Roberto, N. T. Brewer, R. K. Grzywacz, Z. G. Gan, Z. Y. Zhang, M. H. Huang, and H. B. Yang. First experiment at the Super Heavy Element Factory: High cross section of ²⁸⁸Mc in the ²⁴³Am+⁴⁸Ca reaction and identification of the new isotope ²⁶⁴Lr. Phys. Rev. C 106, L031301 (2022).
5. Yu. Ts. Oganessian, V. K. Utyonkov, N. D. Kovrizhnykh, F. Sh. Abdullin, S. N. Dmitriev, A. A. Dzhioev, D. Ibadullayev, M. G. Itkis, A. V. Karpov, D. A. Kuznetsov, O. V. Petrushkin, A. V. Podshibiakin, A. N. Polyakov, A. G. Popeko, I. S. Rogov, R. N. Sagaidak, L. Schlattauer, V. D. Shubin, M. V. Shumeiko, D. I. Solovyev, Yu. S. Tsyganov, A. A. Voinov, V. G. Subbotin, A. Yu. Bodrov, A. V. Sabel’nikov, A. V. Khalkin, K. P. Rykaczewski, T. T. King, J. B. Roberto, N. T. Brewer, R. K. Grzywacz, Z. G. Gan, Z. Y. Zhang, M. H. Huang, and H. B. Yang. New isotope ²⁸⁶Mc produced in the ²⁴³Am + ⁴⁸Ca reaction. Phys. Rev. C 106, 064306 (2022).
6. Доклады Ю.Ц. Оганесяна, В.К. Утенкова, А.В. Карпова и Д. Ибадуллаева на Совещании по физике тяжелых ионов, Санкт-Петербург, 3 — 9 июля 2022 г.