Группа ученых Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ в течение 2019 – 2021 годов исследовала свойства радиоактивного распада нейтронодефицитных ядер нобелия и резерфордия. По итогам проведенных экспериментов был синтезирован новый, нейтронодефицитный изотоп ²⁴⁹No. Этот изотоп ученые ОИЯИ синтезировали первыми в мире, причем с высокой статистикой — 220 событий. Также были обнаружены новые моды распада и изомерные состояния изотопа ²⁵³Rf, проведен анализ α-, γ-спектров ядер ²⁵⁶No, ²⁵⁷Rf, а также получены ранее не известные изомерные состояния этих ядер и изучены свойства спонтанно-делящихся изотопов ^252,254No и ²⁵⁴Rf. Полученные результаты помогают ученым продвинуться в понимании свойств и пределов стабильности ядерной материи.

Результаты экспериментов прокомментировал начальник сектора № 2 Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Александр Свирихин.

²⁴⁹No и ²⁵³Rf

«Наша группа занимается изучением свойств радиоактивного распада тяжелых ядер преимущественно из трансфермиевой области. Эти работы важны для понимания, каким может быть минимальное и максимальное соотношение нейтронов и протонов в ядре, какое наименьшее количество нейтронов позволяет ядру оставаться стабильным. Например, в одном из наших экспериментов мы дошли до ядра нобелия с массой 249 – это открытый нами самый легкий изотоп нобелия», — пояснил Александр Свирихин. Ядра этого изотопа было достаточно сложно получить: на высокоинтенсивных пучках циклотрона У-400, с использованием сепаратора продуктов реакций полного слияния SHELS, было зарегистрировано всего несколько десятков событий образования 249No, которые позволили установить схему его α-распада в уже известные ядра. «Фермий-245, в который он распадается, был слабо изучен, мы обнаружили для него моду распада, связанную с электронным захватом: он способен распадаться не только альфа-распадом в калифорний-241, как считалось ранее, но и в эйнштейний-245, как раз через электронный захват», — рассказал он. В следующем эксперименте было синтезировано «материнское» ядро — ²⁵³Rf, для которого был зафиксирован распад в нобелий-249, тем самым подтвердив «право на жизнь» этого изотопа.

Циклотрон У-400

Гамма-спектроскопия ядер No и Rf

Другие работы цикла связаны с гамма-распадом и структурой ядер. По словам Александра Свирихина, одним из наиболее точных способов изучения ядерных сил, удерживающих вместе нейтроны и протоны в атомном ядре, является альфа- и гамма-спектроскопия, благодаря которой можно изучить тонкую структуру альфа-распада, состояния, в которых ядро испускает гамма-кванты, а также ядерные изомеры.

«Тонкая прецизионная спектрометрия ядерного гамма-распада, анализ гамма-квантов – одна из мощных методик, позволяющих получать данные о структуре ядер. Изучая возбужденные состояния ядра, мы делаем выводы о том, как группируются нейтроны и протоны внутри ядра, как это влияет на его стабильность и в целом на состояние ядерной материи», — прокомментировал ученый. Таким образом научные сотрудники ЛЯР изучают фундаментальные свойства ядерных сил – их свойства раскрыты не до конца.

Спонтанное деление

Одним из вариантов распада тяжелых ядер является так называемое спонтанное деление, когда ядро само собой распадается на два произвольных осколка, различающихся по массе. В отличие от альфа-распада, когда из ядра вылетает альфа-частица, здесь получаются два осколка, которые были сформированы внутри ядра.

«Данные, которые обобщают свойства этого вида распада для ядер тяжелее фермия, довольно скупы. Очень мало данных о том, какие именно осколки образуются, какая у них энергия распада. Поскольку у нас есть возможность получать в значимых количествах ядра тяжелых элементов, мы можем максимально детально изучить в том числе этот процесс спонтанного деления», — отметил Александр Свирихин.

Сотрудник сектора №2 ЛЯР ОИЯИ Юрий Попов в процессе запуска сепаратора SHELS после модернизации

Ученые ЛЯР оценивают такие параметры спонтанного деления, как период полураспада, полная кинетическая энергия осколков, выделяемая в процессе деления, а также измеряют параметр, который не исследуется больше ни в одной лаборатории в мире – нейтронные характеристики спонтанного деления. В процессе деления ядра испускаются несколько не связанных нейтронов, которые вылетают из осколков деления. Этот процесс обосновывает существование цепной реакции в ядерных реакторах, а в ЛЯР ОИЯИ ученые, подсчитывая количество таких свободных нейтронов, пытаются сделать выводы о процессе формирования осколков.

«По сути, это тоже путь к пониманию того, как устроены ядерные силы, под воздействием каких именно закономерностей формируются осколки перед разделением ядра, — продолжил спикер. – Есть ядро, оно стабильно – живет, может быть, секунды, а может быть, несколько тысячелетий, и вдруг оно произвольно делится на два осколка: почему именно на эти два осколка, почему диапазон их масс именно таков? Изучая все это, мы получаем детальную и очень важную информацию о природе ядерных сил. Наш вклад в физику деления заключается в том, что мы изучаем спонтанное деление в этой тяжелой области для ядер тяжелее фермия, для короткоживущих нейтронодефицитных ядер».

Александр Свирихин добавил, что сепаратор SHELS, который использовался для проведения всех перечисленных экспериментов, позволяет изучать ядра с периодом полураспада в несколько микросекунд. «Например, мы можем получить несколько тысяч ядер ²⁵⁰No, каждое из которых имеет период полураспада 4-5 мкс, и мы можем его довольно подробно изучить», — рассказал он.

Слева направо: сотрудники сектора № 2 ЛЯР ОИЯИ Александр Свирихин, Виктор Чепигин, Олег Малышев, Александр Еремин, Роман Мухин, Евгений Сокол, Андрей Попеко, Алена Кузнецова, Мерейгуль Тезекбаева

Работы цикла были выполнены коллективом ученых ЛЯР ОИЯИ: Александр Свирихин, Александр Еремин, Андрей Попеко, Олег Малышев, Юрий Попов, Андрей Исаев, Мерейгуль Тезекбаева, Роман Мухин – совместно с исследователями IJCLab, IN2P3-CNRS, Университета Париж–Сакле А. Лопез-Мартенс и К. Хошильдом. Авторы получили вторую Премию ОИЯИ в категории «За научно-исследовательские экспериментальные работы».

Детали исследования представили сами ученые.

α-, γ-спектрометрия и свойства распада изотопов ^{249,252,254,256}No и ^253,254,257Rf

В последние годы, с развитием экспериментальных методик физики тяжелых ионов, область ядер тяжелее фермия (Z ≥ 100) стала доступна для детального изучения. Характеристики радиоактивного распада тяжелых и сверхтяжелых ядер, получаемых на высокоинтенсивных пучках многозарядных ионов циклотрона У-400 ЛЯР, дают представление о свойствах и пределах стабильности ядерной материи. С использованием сепаратора продуктов реакций полного слияния SHELS [1,2], показанного на Рис. 1, и широкого набора детектирующих сборок наша группа за последние годы значительно продвинулась в изучении свойств распада ядер из указанной области.

Рис. 1 SHELS – электромагнитный сепаратор продуктов реакций полного слияния с тяжелыми ионами

В цикле работ нами изучались свойства радиоактивного распада нейтронодефицитных изотопов нобелия (No) и резерфордия (Rf), чьи массы лежат в окрестностях нейтронной подоболочки N = 152.

Для сильно нейтронодефицитного изотопа ²⁴⁹No, впервые синтезированного в эксперименте на сепараторе SHELS в 2020 году [3], были измерены период полураспада (T1/2 = 38,1±2,5 мс), энергия α-частиц (Eα = 9129 кэВ), оценена вероятность спонтанного деления (bSF ≤ 0,23%), схема распада представлена на Рис. 2.

Рис. 2. a) – Цепочка распадов нового изотопа ²⁴⁹No, b) – Спектр α-частиц полученный для распада ²⁴⁹No (9129 keV) в известные ядра: ²⁴⁵Fm (8171 keV) и ²⁴¹Cf (7360 keV). α-линия с энергией 7728 keV относится к распаду ²⁴⁵Es, получаемому при β(EC)-распаде ²⁴⁵Fm

Для ^252,254No [4] и ²⁵⁴Rf [5] изучались характеристики спонтанного деления, такие как ТКЕ и выход мгновенных нейтронов. Для ²⁵⁴No и ²⁵⁴Rf среднее число нейтронов на спонтанное деление определялось впервые и составило 4.88 ± 0.53 и 3.87 ± 0.34, соответственно. С использованием усовершенствованного метода статистической регуляризации [6], восстанавливались распределения мгновенных нейтронов спонтанного деления по множественностям. Для короткоживущего изотопа ²⁵²No на новой детектирующей системе SFiNX [7] нейтронные выходы измерены с рекордной точностью. Результаты измерений и сравнение с теоретическими расчетами приводятся в Таблице 1.

Таблица 1. Сравнение измеренных и расчетных выходов мгновенных нейтронов спонтанного деления ядер, зарегистрированных в фокальной плоскости сепаратора SHELS

Ядро	Расчетное среднее число нейтронов на деление1	Измеренное значение ср. числа нейтронов	Дисперсия распределения нейтронов по множественностям2
254Rf	4.7	3.87±0.34	3.4
254No	4.6	4.88±0.53	2.0
252No	4.3	4.25±0.09	2.2
248Cm	3.1	3.13±0.01	1.2

1) Расчет в усовершенствованной модели «точки разрыва» A.V. Andreev, Eur. Phys. J. A 30, (2006).
2) Дисперсия рассчитывалась с использованием метода статистической регуляризации, процедура описывается в работе [6].

Для более тяжелых изотопов нобелия и резерфордия, с использованием детектирующей системы GABRIELA [8] проводилось детальное изучение ядерных уровней, как в основном, так и в изомерных состояниях. При изучении ядерных уровней изотопа ²⁵⁶No впервые было обнаружено короткоживущее высоко-спиновое k-изомерное состояние [9], которое уверенно идентифицируется как одно-квазичастичное нейтронное состояние (11/2-[725]). Удается проследить уменьшение энергии возбуждения этого состояния с увеличением атомного номера изотонов с N=153. Например, при изучении тонкой структуры α-распада 257Rf [10] обнаружено аналогичное состояние при энергии уровня всего 75 кэВ выше основного состояния.

Наконец, в марте 2021 г., наш эксперимент по изучению распада ²⁵³Rf подтвердил наличие у этого ядра двух низко-лежащих спонтанно-делящихся состояний с значительной разницей в периодах полураспада (Рис.3).

Рис. 3. a) Цепочка α-распада ядра ²⁵³Rf, b) предлагаемая схема уровней ядра ²⁵³Rf

Наблюдаемые [11] детали распада 3го высокоспинового К-изомерного состояния при энергии возбуждения выше 1 МэВ позволили выявить структуру состояния, соответствующего короткоживущей спонтанно-делящейся активности ²⁵³Rf, сопоставив отмеченному одно-квазичастичную нейтронному состоянию конфигурацию 7/2+[624]. Кроме того, впервые был зарегистрирован α-распад этого ядра (bα=17±6 %), приводящий к образованию ранее полученного изотопа ²⁴⁹No [3], цепочка распада приведена на Рис. 3 (a).

Наши результаты расширяют представление о поведении ядерной материи в области нейтронодефицитных трансфермиевых ядер. Измерения парциальных периодов полураспада, энергии распада и изучение изомерии тяжелых ядер расширяют базисную информацию для развития моделей строения ядра и оценки границ существования ядер. Несмотря на то, что работы в этой области значительно ограничиваются низкими сечениями реакций полного слияния, методики, реализуемые на сепараторе SHELS, позволяют синтезировать искомые ядра в количествах, достаточных для подробного изучения характеристик радиоактивного распада.

Результаты представлены в следующих публикациях:

1. Yeremin A.V., Popeko A.G., Malyshev O.N., Isaev A.V., Kuznetsova A.A., Popov Yu.A., Svirikhin A.I., Sokol E.A., Tezekbayeva M.S., Chelnokov M.L., Chepigin V.I., Lopez-Martens A., Hauschild K., Dorvaux O., Gall B., Piot J., Antalic S., Mosat P., Tonev D., Stefanova E. “Spectroscopy of the Isotopes of Transfermium Elements in Dubna: Current Status and Prospects”, 2020, Physics of Atomic Nuclei, 83 (4), pp. 503-512.
2. Chelnokov M., Kuznetsova A., Dorvaux O., Gall B., Asfari Z., Tezekbaeva M., Piot J., Antalic S. “Velocity filter SHELS: Performance and experimental results”, 2020, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 463, pp. 219-220.
3. Svirikhin A.I., Yeremin A.V., Zamyatin N.I., Izosimov I.N., Isaev A.V., Kuznetsova A.A., Malyshev O.N., Mukhin R.S., Popeko A.G., Popov Y.A., Sokol E.A., Sailaubekov B., Tezekbayeva M.S., Chelnokov M.L., Chepigin V.I., Andel B., Antalic S., Bronis A., Mosat P., Gall B., Dorvaux O., Lopez-Martens A., Hauschild K. “The New ²⁴⁹No Isotope”, 2021, Physics of Particles and Nuclei Letters, 18 (4), pp. 445-448.
4. Isaev A.V., Andreev A.V., Chelnokov M.L., Chepigin V.I., Izosimov I.N., Kuznetsova A.A., Malyshev O.N., Mukhin R.S., Popeko A.G., Popov Yu.A., Shneidman T.M., Sokol E.A., Svirikhin A.I., Tezekbayeva M.S., Yeremin A.V., Zamyatin N.I., Brionnet P., Dorvaux O., Gall B., Kessaci K., Sellam A., Hauschild K., Lopez-Martens A., Antalic S., Mosat P. “Comparative Study of Spontaneous-Fission Characteristics of ²⁵²No and ²⁵⁴No Isotopes”, 2021, Physics of Particles and Nuclei Letters, 18 (4), pp. 449-456.
5. Svirikhin A.I., Andreev A.V., Yeremin A.V., Zamyatin N.I., Izosimov I.N., Isaev A.V., Kuznetsov A.N., Kuznetsova A.A., Malyshev O.N., Popeko A.G., Popov Y.A., Sokol E.A., Tezekbayeva M.S., Chelnokov M.L., Chepigin V.I., Schneidman T.M., Andel B., Antalic S., Bronis A., Mosat P., Gall B., Dorvaux O., Retailleau B.M., Hauschild K., Lopez-Martenz A., Chauveau P., Stefanova E., Tonev D. “Prompt Neutrons from Spontaneous ²⁵⁴Rf Fission”, 2019, Physics of Particles and Nuclei Letters, 16 (6), pp. 768-771.
6. Mukhin R.S., Dushin V.N., Eremin A.V., Izosimov I.N., Isaev A.V., Svirikhin A.I. “Reconstruction of Spontaneous Fission Neutron Multiplicity Distribution Spectra by the Statistical Regularization Method”, 2021, Physics of Particles and Nuclei Letters, 18 (4), pp. 439-444.
7. Isaev A.V., Yeremin A.V., Zamyatin N.I., Izosimov I.N., Kuznetsova A.A., Malyshev O.N., Mukhin R.S., Popeko A.G., Popov Yu.A., Sailaubekov B., Svirikhin A.I., Sokol E.A., Tezekbayeva M.S., Testov D.A., Chelnokov M.L., Chepigin V.I., Antalic S., Mosat P., Brionnet P., Gall B., Dorvaux O., Kessaci K., Sellam A., Lopez-Martens A., Hauschild K. “Study of spontaneous fission using the SFiNX system” to be published in Acta Physica Polonica B Proceedings Supplement, 14 (4), 2021.
8. Chakma R., Hauschild K., Lopez-Martens A., Yeremin A.V., Malyshev O.N., Popeko A.G., Popov Yu.A., Svirikhin A.I., Chepigin V.I., Dorvaux O., Gall B., Kessaci K. “Gamma and conversion electron spectroscopy using GABRIELA”, 2020, European Physical Journal A, 56 (10), art. no. 245.
9. Kessaci K., Gall B.J.P., Dorvaux O., Lopez-Martens A., Chakma R., Hauschild K., Chelnokov M.L., Chepigin V.I., Forge M., Isaev A.V., Izosimov I.N., Katrasev D.E., Kuznetsova A.A., Malyshev O.N., Mukhin R., Piot J., Popeko A.G., Popov Yu.A., Sokol E.A., Svirikhin A.I., Tezekbayev, M.S., Yeremin, A.V., «Evidence of high-k isomerism in ²⁵⁶No», 2021, Physical Review C, 104 (4), art. no. 044609.
10. Hauschild, K., Lopez-Martens, A., Chakma, R., Dorvaux, O., Gall, B.J.P., Chelnokov, M.L., Chepigin, V.I., Isaev, A.V., Izosimov, I.N., Katrasev, D.E., Kuznetsova, A.A., Malyshev, O.N., Popeko, A.G., Popov, Yu.A., Sokol, E.N., Svirikhin, A.I., Tezekbayeva, M., Yeremin, A.V., Ackermann D., Piot J., Mosat P., Andel B. “Alpha-decay spectroscopy of ²⁵⁷Rf”, submitted to Eur. Phys. J. A (July 2021).
11. Lopez-Martens A., Hauschild K., Svirikhin A.I., Asfari Z., Chelnokov M.L., Chepigin V.I., Dorvaux O., Forge M., Gall B.J.P., Isaev A.V., Izosimov I.N., Kessaci K., Kuznetsova A.A., Malyshev O.N., Mukhin R.S., Popeko A.G., Popov Yu.A., Sailaubekov B., Sokol E.A., Tezekbayeva M.S., Yeremin A.V. “On the fission properties of ²⁵³Rf and the stability of neutron-deficient Rf isotopes” submitted to Phys. Rev. C (Lett). (October 2021).