Ученые Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ разработали новые экспериментальные методики и подходы для изучения свойств экзотических ядер на комплексе «фрагмент-сепаратор АКУЛИНА-2 – ускоритель тяжелых ионов У-400М», обладающем высоким потенциалом научных открытий. Первые эксперименты с радиоактивными пучками ⁶Не, ⁸Не, ⁹Li, ¹⁰Ве, ²⁶P и ²⁷S позволяют говорить о возможности решения широкого круга задач ядерной физики: получение и исследование спектров легких ядер (Z = 1÷16), находящихся за пределами границ нуклонной стабильности, изучение редких мод распада этих ядер, получение ранее не известных тяжелых изотопов ряда элементов с атомными номерами Z = 94÷107 и измерение барьеров деления этих ядер. Разработанные методики также применимы для изучения ряда вопросов астрофизики, например, о происхождении некоторых элементов во Вселенной.

Циклу работ «Создание и применение новых экспериментальных методик на фрагмент-сепараторе АКУЛИНА-2» была присвоена вторая премия на конкурсe научно-методических и научно-технических работ ОИЯИ за 2020 год. В коллектив соавторов вошли: Безбах А. А., Головков М. С., Горшков А. В., Крупко С. А., Музалевский И. А., Тер-Акопьян Г. М., Фомичев А. С., Худоба В., Каминьски Г. (все сотрудники ЛЯР ОИЯИ) и Никольский Е. Ю. (НИЦ КИ/ЛЯР ОИЯИ).

Рис. 1. Схема размещения фрагмент-сепаратора АКУЛИНА-2 в зале ускорителя У-400М

В 2017 году в Лаборатории ядерных реакций на ускорителе тяжелых ионов У-400М была запущена новая уникальная установка – фрагмент-сепаратор АКУЛИНА-2, Рис.1. Тестовые испытания, проведенные для реакции фрагментации первичного пучка ¹⁵N (49,7 МэВ/нуклон) на бериллиевой мишени толщиной 2 мм, показали, что основные характеристики радиоактивных пучков для этой установки полностью соответствуют расчетным значениям, положенным в основу проекта. В 2018 году на установке АКУЛИНА-2 были выполнены методические работы с целью проведения первых экспериментов с радиоактивными пучками ⁶Не, ⁸Не, ⁹Li, ¹⁰Ве и др. [1-5].

Флагманский эксперимент был посвящен поиску ядра ⁷Н, обладающего экстремальным нейтронным избытком. Для заселения состояний ⁷Н была выбрана реакция ⁸He (26 МэВ/нуклон) + d → ³He + ⁷H. Ключевым индикатором событий ⁷Н являлась регистрация вылетающих из дейтериевой мишени низкоэнергетических ядер отдачи ³Не в совпадении с быстрыми тритонами (E ~ 70 ± 30 МэВ), вылетающими под передними углами в узком конусе θ ≤ 6°. При этом тритоны необходимо было детектировать с угловым разрешением Δθ ~ 0,5° и энергетическим разрешением ΔЕ/Е не хуже 2 %. Для регистрации тритонов был разработан и изготовлен телескоп, состоящий из позиционно-чувствительного кремниевого детектора толщиной 1,5 мм и массива сцинтилляторов 4х4 на основе CsI(Tl)/ФЭУ. С целью улучшения точности определения удельных потерь энергии ядер отдачи ³Не, регистрируемых с помощью 20-микронных стриповых кремниевых детекторов, потребовалось измерение толщин этих детекторов с точностью лучше, чем 0,2 микрон, чему в значительной степени посвящена отдельная работа [3]. Это позволило методом ΔE-E разделить все изотопы водорода, гелия и лития, образующиеся в реакции ⁸He + d, и измерить их энергии с низким порогом регистрации ~1 МэВ.

Основными факторами, которые обеспечили проведение экспериментов по изучению ⁷Н в реакции ²Н(⁸Не,³Не)⁷Н на установке АКУЛИНА-2, явились:

• методика измерения энергий и углов вылета трития в совпадении с ³Не и выделение истинных событий распада ядер ⁷Н (⁷Н → t + 4n) по так называемому «кинематическому треугольнику»,
• использование криогенной газовой дейтериевой мишени, обеспечивающей экспериментальное разрешение ~1 МэВ (ПШПВ), достигаемое при измерении энергии распада ⁷Н, низкие фоновые условия и возможность измерения этого фона,
• возможность калибровки используемого метода недостающей массы по реперной реакции ²Н(¹⁰Bе,³Не)⁹Li,
• высокое качество радиоактивных пучков на фрагмент-сепараторе АКУЛИНА-2 (интенсивность, очистка от примесей, фокусировка на физической мишени).

С использованием разработанных методик была проведена серия из трех экспериментов и получены данные высокого качества для малоизученных изотопов водорода ^6,7Н [6-8].

Второй экспериментальный цикл исследований на установке АКУЛИНА-2 был нацелен на изучение низколежащих состояний системы ¹⁰Li, образующейся в реакции ⁹Li(d,p)¹⁰Li → n + ⁹Li при энергии 29 МэВ/нуклон [4]. Принципиальной особенностью этого эксперимента была разработанная методика регистрации протонов, вылетающих под задними углами в лабораторной системе координат, в совпадении с ⁹Li и нейтронами, вылетающими из распада ¹⁰Li под передними углами. Для прецизионного измерения энергии и угла вылета нейтронов использовался специально созданный массив из 48 детекторов на основе кристаллов стильбена [А.А. Безбах и др., ПТЭ №5 (2018) 1]. Важным звеном в регистрации ⁹Li стал специально разработанный ToF-детектор, состоящий из тонкого пластика EJ-212 (125 мкм) и четырех ФЭУ Hamamatsu R7600. Установленный на пролетной базе 39 см от физической мишени по ходу пучка, этот детектор позволял не только идентифицировать состав радиоактивного пучка (d, ⁶He, ⁹Li и ¹²Be), но и разделять пучковый ⁹Li от ⁹Li из распада ¹⁰Li по потерям энергии в пластике и времени пролета. С целью определения экспериментального разрешения всей детектирующей системы и нормировки спектра недостающей массы ¹⁰Li было проведено дополнительное измерение тройных совпадений p-⁶He-n в реакции ⁶He(d,p)⁷He на радиоактивном пучке ядер ⁶He в той же геометрии. Учитывая хорошо известные параметры резонанса основного состояния ⁷Не (E = 410 кэВ, Г = 150 кэВ), было установлено, что измерение энергии нейтрона по времени пролета на базе 2 м обеспечивает инструментальное разрешение по энергии возбуждения ⁓180 кэВ (ПШПВ). Кроме того, при анализе угловых распределений продуктов распада ⁷Не в области 2 – 4 МэВ была обнаружена угловая асимметрия вылета продуктов распада относительно направления переданного импульса. Также этот метод тройных совпадений был применен для изучения изотопа ⁹Не в реакции ⁸He(d,p)⁹He при энергии радиоактивного пучка ⁸Не 26 МэВ/нуклон. По результатам анализа полученных данных ожидается новая информация о структуре спектров низколежащих состояний ⁷Не, ⁹Не и ¹⁰Li в диапазоне энергий Е* < 6 МэВ.

Экспериментальные методики и подходы, апробированные в первых экспериментах на фрагмент-сепараторе АКУЛИНА-2, позволяют также рассматривать возможность получения ранее неизвестных нейтронно-избыточных ядер в области 94 < Z < 107 на нейтронно-избыточных пучках в реакциях многонуклонных передач при пороговых энергиях 4-6 МэВ/нуклон. Эта область пока недоступна для изучения другими методами, но представляет особый интерес как способ продвижения в сторону острова стабильности. В представленной методике могут быть измерены времена жизни, барьеры деления и моды распада таких ядер [5].

Развитие экспериментальных методик на комплексе АКУЛИНА-2@У-400М открывает новые возможности для решения широкого круга задач с использованием радиоактивных пучков с энергиями ~5÷50 МэВ/нуклон: получение и исследование спектров легких ядер (Z = 1÷16), находящихся за пределами границ нуклонной стабильности, изучение редких мод распада этих ядер, получение ранее не известных тяжелых изотопов ряда элементов с атомными номерами Z = 94÷107 и измерение барьеров деления этих ядер в реакциях многонуклонных передач, протекающих на пучках радиоактивных ядер ⁹Li, ¹⁰Be, ^14,16C ^17,19N, ^20,22O и др., вплоть до ^24,26Ne.

Литература:

1. A. S. Fomichev, A. A. Bezbakh, S. G. Belogurov, R. Wolski, E. M. Gazeeva, A. V. Gorshkov, L. V. Grigorenko, B. Zalewski, G. Kaminski, S. A. Krupko, I. A. Muzalevskii, E. Yu. Nikolskii, Yu. L. Parfenova, S. I. Sidorchuk, R. S. Slepnev, G. M. Ter-Akopian, V. Chudoba, and P. G. Sharov,
   “The first experiments with the new ACCULINNA-2 fragment separator”,
   Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 83 (2019) 385–391.
2. G. Kaminski, B. Zalewski, S. G. Belogurov, A. A. Bezbakh, D. Biare, V. Chudoba, A. S. Fomichev, E. M. Gazeeva, M. S. Golovkov, A. V. Gorshkov, L. V. Grigorenko, D. A. Kostyleva, S. A. Krupko, I. A. Muzalevsky, E. Yu. Nikolskii, Yu. L. Parfenova, P. Plucinski, A. M. Quynh, A. Serikov, S. I. Sidorchuk, R. S. Slepnev, P. G. Sharov, P. Szymkiewicz, A. Swiercz, S. V. Stepantsov, G. M. Ter-Akopian, R. Wolski,
   “Status of the new fragment separator ACCULINNA-2 and first experiments”,
   Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 463 (2020) 504-507.
3. I. A. Muzalevskii, V. Chudoba, S. G. Belogurov, A. A. Bezbakh, D. Biare, A. S. Fomichev, S. A. Krupko, E. M. Gazeeva, M. S. Golovkov, A. V. Gorshkov, L. V. Grigorenko, G. Kaminski, O. Kiselev, D. A. Kostyleva, M. Yu. Kozlov, B. Mauyey, I. Mukha, E. Yu. Nikolskii, Yu. L. Parfenova, W. Piatek, A. M. Quynh, V. N. Schetinin, A. Serikov, S. I. Sidorchuk, P. G. Sharov, R. S. Slepnev, S. V. Stepantsov, A. Swiercz, P. Szymkiewicz, G. M. Ter-Akopian, R. Wolski, B. Zalewski,
   “Detection of the low energy recoil 3He in the reaction ²H(⁸He,³He)⁷H”,
   Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 84 (2020) 500-504.
4. A. A. Bezbakh, S. G. Belogurov, D. Biare, V. Chudoba, A. S. Fomichev, E. M. Gazeeva, M. S. Golovkov, A. V. Gorshkov, G. Kaminski, S. A. Krupko, B. Mauyey, I. A. Muzalevskii, E. Yu. Nikolskii, Yu. L. Parfenova, W. Piatek, A. M. Quynh, A. Serikov, S. I. Sidorchuk, P. G. Sharov, R. S. Slepnev, S. V. Stepantsov, A. Swiercz, P. Szymkiewicz, G. M. Ter-Akopian, R. Wolski, B. Zalewski, “Study of ¹⁰Li low energy spectrum in the ²H(⁹Li,p) reaction”,
   Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 84 (2020) 491-494.
5. G. M. Ter-Akopian, Yu. Ts. Oganessian, A. A. Bezbakh, A. S. Fomichev, M. S. Golovkov, A. V. Gorshkov, S. A. Krupko, E. Yu. Nikolskii, S. I. Sidorchuk, S. V. Stepantsov, R. Wolski,
   “Radioactive-ion beams for the fission study of heavy neutron-rich nuclei”,
   Physics of Atomic Nuclei, 2020, Vol. 83, No. 4, 497–502.
6. A. A. Bezbakh, V. Chudoba, A. V. Gorshkov, S. A. Krupko, S. G. Belogurov, D. Biare, A. S. Fomichev, E. M. Gazeeva, L. V. Grigorenko, G.Kaminski, O. Kiselev, D. A. Kostyleva, I. Mukha, I. A. Muzalevskii, E. Yu. Nikolskii, Yu. L. Parfenova, A. M. Quynh, A. Serikov, S. I. Sidorchuk, P. G. Sharov, R. S. Slepnev, S. V. Stepantsov, A. Swiercz, P. Szymkiewicz, G. M. Ter-Akopian, R. Wolski, B. Zalewski, M. V. Zhukov,
   “Evidence for the first excited state of ⁷H”,
   Physical Review Letters 124 (2020) 022502.
7. I. A. Muzalevskii, A. A. Bezbakh, E. Yu. Nikolskii, V. Chudoba, S. A. Krupko, S. G. Belogurov, D. Biare, A. S. Fomichev, E. M. Gazeeva, A. V. Gorshkov, L. V. Grigorenko, G. Kaminski, O. Kiselev, D. A. Kostyleva, M. Yu. Kozlov, B. Mauyey, I. Mukha, Yu. L. Parfenova, W. Piatek, A. M. Quynh, V. N. Schetinin, A. Serikov, S. I. Sidorchuk, P. G. Sharov, N. B. Shulgina, R. S. Slepnev, S. V. Stepantsov, A. Swiercz, P. Szymkiewicz, G. M. Ter-Akopian, R. Wolski, B. Zalewski, M. V. Zhukov,
   “Resonant states in ⁷H: Experimental studies of the ²He(⁸He,³He) reaction”,
   Physical Review C 103 (2021) 044313.
8. E. Yu. Nikolskii, I. A. Muzalevskii, A. A. Bezbakh, V. Chudoba, S. A. Krupko, S. G. Belogurov, D. Biare, A. S. Fomichev, E. M. Gazeeva, A. V. Gorshkov, L. V. Grigorenko, G. Kaminski, O. Kiselev, D. A. Kostyleva, M. Yu. Kozlov, B. Mauyey, I. Mukha, Yu. L. Parfenova, W. Piatek, A. M. Quynh, V. N. Schetinin, A. Serikov, S. I. Sidorchuk, P. G. Sharov, N. B. Shulgina, R. S. Slepnev, S. V. Stepantsov, A. Swiercz, P. Szymkiewicz, G. M. Ter-Akopian, R. Wolski, B. Zalewski, M. V. Zhukov,
   “The ⁶H states studied in the ²He(⁸He,α) reaction and evidence of extremely correlated character of the ⁵H ground state”,
   Submitted to Physical Review C (2021) [arXiv:2105.04435].