Участники эксперимента БЕККЕРЕЛЬ (руководитель — Павел Зарубин) приступили к анализу взаимодействий ядер ксенона с энергией 3 ГэВ на нуклон в слоях ядерной эмульсии, облученной в проходящем сеансе на ускорительном комплексе NICA. Полученные макроснимки событий позволяют увидеть воочию, как выглядят события столкновений самых тяжелых из ускоренных на NICA частиц, и реконструировать их с высокой точностью.

Ядерная фотографическая эмульсия представляет собой взвесь микрокристаллов бромида серебра, заключенную в слоях желатина толщиной 180 мкм (около 0,2 мм). Такие слои обладают большой чувствительностью и позволяют в «аналоговом» режиме зарегистрировать треки фрагментов, образовавшихся при распаде ядер. Слои для этого эксперимента были изготовлены на предприятии «Микрон» компании ТД «Славич» в г. Переславль-Залесский.

Фото 1. Макрофотография периферического взаимодействия ядра Xe в ядерной эмульсии, полученная через 60-кратный объектив

В релятивистской фрагментации проявляются структурные особенности исследуемых ядер. Релятивистская фрагментация происходит, когда ядра, имевшие скорость, близкую к скорости света, разбиваются при очень высоких энергиях, достаточных для создания нескольких фрагментов ядер. В этом отношении наиболее информативны события когерентной диссоциации (одновременного однотипного распада), именуемые «белыми» звездами, составляющие проценты в общей статистике ядерных звезд.

Когда происходит взаимодействие летящего ядра с ядром эмульсии, в слоях эмульсии остаются следы. Эти события называются ядерными звездами. А «белыми» звездами являются те из событий, в которых ядро мишени (эмульсии) не затрагивается – распадается только летящее ядро. Такая диссоциация возможна благодаря тому, что к летящему ядру присоединяются несколько фотонов из поля ядра мишени, и общей энергии ядра-«снаряда» и фотонов хватает на то, чтобы развалить ядро до того, как оно успеет провзаимодействовать с ядром мишени. Поэтому в случае «белых» звезд след в эмульсии оставляют только фрагменты ядра-«снаряда». Таким образом, возможно изучить отдельно одно распавшееся ядро. Первичный заряд пролетевшего ядра в таких событиях распределяется между релятивистскими фрагментами, а следы фрагментов ядер мишени и рожденных мезонов отсутствуют. На фото 1 приведена макрофотография «белой» звезды, вызванной ядром ксенона. На ней виден яркий след первичного ядра, окруженный следами дельта-электронов, и срыв ионизации в вершине взаимодействия, за которой следуют треки нескольких легких фрагментов.

Срыв ионизации в вершине взаимодействия описывает резкие изменения в процессе отделения электронов от атомов вещества. Заряженная частица, которая движется через вещество, своим электрическим полем взаимодействует с полями атомов вещества, в результате чего электроны атомов могут отрываться, и нейтральный атом становится заряженным ионом. При этом ионизация пропорциональна квадрату заряда частицы, а потому ионизация при разных зарядах существенно отличается. Так, ксенон имеет заряд 54: вокруг него большое количество высокоэнергетических электронов, и, отрываясь, они оставляют широкий след в фотографической эмульсии. Когда же ядро с большим зарядом разваливается, при его распаде, особенно на большое количество фрагментов, ионизация будет резко снижаться, потому что каждый из фрагментов будет обладать собственной ионизацией. Например, если ядро тяжелой частицы разваливается на протон и на гелий, у которых ионизация равна соответственно единице и четырем, можно наблюдать очень большую разницу на макроснимке: в точке взаимодействия видно, что трек был широким, а потом разделился на множество слабо ионизирующих треков. Момент, когда большая ионизация стала маленькой, называется срывом ионизации.

Слои эмульсии, облученные тяжелыми ядрами при энергии несколько ГэВ на нуклон, позволяют изучать в оптимальных условиях ядерные ансамбли (множество ядерных фрагментов, летящих вместе, в одной струе) беспрецедентной сложности вплоть до изотопов гелия и водорода.

При распаде тяжелого ядра летит одновременно большое количество фрагментов, и проанализировать их все достаточно сложно. Электронные детекторы не справляются с такой задачей, поскольку их загруженность не позволяет им вычитывать всю эту информацию. Однако такая возможность есть при анализе данных фотоэмульсии.

Тем самым возникает перспектива исследований разреженной ядерной материи в звездах – небесных телах в диапазоне температуры от красных гигантов до сверхновых. Изучение таких процессов может найти применение при решении фундаментальных и прикладных проблем современной ядерной физики. Продвижение в этом направлении опирается на компьютеризованную микроскопию (фото 2). Заметный рост энергии и интенсивности пучка ядер Xe по сравнению с предшествовавшим облучением при 1 ГэВ на нуклон (2010 г.) коренным образом улучшает возможности по исследованию явления множественной фрагментации. Их достижение обеспечивает исследования с тяжелыми релятивистскими ядрами в ОИЯИ.

Фото 2. Научные сотрудники ЛФВЭ А. Зайцев и М. Натараджан (Индия) осваивают поиск взаимодействий ядер Хе на микроскопе Olympus BX63

Метод толстослойных фотоэмульсий в том виде, в котором он применяется сейчас, известен уже на протяжении 50 – 60 лет. В слоях желатина равномерно распределены кристаллы AgBr размером 0,2 микрона (2 тысячных доли миллиметра), что определяет прекрасное пространственное разрешение метода.

«Электронные средства регистрации событий не обеспечивают разрешения с прецизионной точностью, в то время как на эмульсиях можно отследить треки всех частиц, то есть провести полную реконструкцию событий», — прокомментировал заместитель начальника ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий по научной работе Анатолий Сидорин. Он рассказал, что этот метод ориентирован на открытие уникальных событий и не используется для набора статистики в современных экспериментах.

«Современные электронные детекторы также позволяют наблюдать процесс образования фрагментов ядра во всей динамике, но там невозможно достичь такого пространственного разрешения. На ядерных эмульсиях точность – микроны. Самая лучшая электроника – это сотни микрон, может быть, несколько десятков», — сказал спикер. Анатолий Сидорин добавил, что бытовые представления о том, что происходит при столкновении двух ядер, отходят достаточно далеко от действительности. Методика же фотоэмульсий позволяет наглядно, через микроскоп, увидеть, что произошло со струей фрагментов ядер.

Начальник научно-экспериментального отдела физики тяжелых ионов ЛФВЭ, советник при дирекции ЛФВЭ Александр Малахов рассказал, что при помощи методики ядерных фотоэмульсий были зарегистрированы события, происходящие в текущем цикле пусконаладочных работ на ускорительном комплексе NICA. «Ядра ксенона впервые ускорены на Нуклотроне до рекордных энергий – порядка 3 ГэВ – и интенсивности 2 x 10⁷. Экспериментальная установка BM@N набирает статистику, но в ней события не видны, а проект БЕККЕРЕЛЬ позволяет воочию увидеть эти ядра и события», — подчеркнул он.