Ученые ОИЯИ создали новую специализированную установку для детального исследования продуктов, образующихся в реакциях многонуклонных передач, и выполнили с ее использованием первую серию экспериментов. Реакции многонуклонных передач являются перспективным направлением для получения и исследования свойств тяжелых и сверхтяжелых ядер. Выполненные исследования позволят как глубже понять динамику протекания этих реакций, так и более эффективно их использовать для синтеза новых ядер, в том числе недоступных в других ядерных реакциях.

В настоящее время достигнуты большие успехи в синтезе новых сверхтяжелых элементов с использованием реакций полного слияния двух тяжелых ядер. Однако невозможность образования более нейтронообогащенных изотопов в реакциях полного слияния актинидов со стабильными пучками ионов привели к поиску альтернативных подходов к получению этих ядер.

В последние годы становится все более очевидным, что реакции многонуклонных передач (MNT) можно рассматривать как перспективный путь получения и исследования свойств тяжелых и сверхтяжелых ядер. Эти реакции характеризуются полной передачей импульса и приводят к образованию двух тяжелых фрагментов. Основная часть продуктов, так называемые снарядоподобные (PLF) и мишенеподобные (TLF) фрагменты, располагается вокруг масс налетающего иона и ядра мишени, соответственно. В реакциях MNT тяжелый фрагмент может получить гораздо меньшую энергию возбуждения, чем в случае полного слияния ядер. Это создает благоприятные условия для получения тяжелых изотопов трансурановых элементов, которые представляют особый интерес из-за ограниченных возможностей их получения в реакциях слияния. Следует отметить, что в MNT реакциях были получены тяжелые изотопы некоторых трансурановых элементов ²⁵⁴Cf, ²⁵⁵Es, ²⁵⁶Fm, которые не могут быть синтезированы в реакциях полного слияния.

Современные теоретические расчеты, основанные на многомерной динамической модели Ланжевена, показывают, что образование первичных транс-мишенных фрагментов в реакциях пучков тяжелых ионов с актинидными ядрами составляет нескольких миллибарн. Барьер деления этих фрагментов определяется, главным образом, оболочечной поправкой (Bf ≈ 5 МэВ) и в процессе девозбуждения с высокой вероятностью происходит деление этих фрагментов, тогда как их выживаемость после испарения легких частиц на несколько порядков ниже.

Для получения сверхтяжелых элементов в реакциях MNT ионы ²³⁸U предположительно являются наиболее перспективными бомбардирующими частицами. Поскольку на сегодняшний день пучки ионов урана доступны лишь в нескольких ядерных центрах мира, детальное исследование реакций типа ¹³⁶Xe+²³⁸U и ²⁰⁹Bi+²³⁸U при использовании урана в качестве мишени позволяет более глубоко изучить механизмы MNT для лучшего планирования будущих экспериментов по получению новых тяжелых изотопов в реакциях с налетающими ионами ²³⁸U.

Поскольку последовательное деление TLF более вероятно, чем его выживание после процесса девозбуждения, в такого рода исследованиях необходима экспериментальная идентификация как двух фрагментов (PLF+TLF), так и трех фрагментов (PLF + оба фрагмента последовательного деления TLF). Для изучения свойств фрагментов MNT, таких как сечение их образования, энергии возбуждения и вероятности выживания, образовавшихся в реакции ¹³⁶Xe,²⁰⁹Bi+²³⁸U при энергиях пучков 1.11 ГэВ для ¹³⁶Xe и 1.85 ГэВ для ²⁰⁹Bi, были изучены первичные и вторичные массовые и энергетические распределения PLF в совпадении либо с выжившими TLF, либо с обоими фрагментами последовательного деления возбужденных TLF. Выбранные энергии взаимодействия соответствуют энергиям на 40-50 % выше кулоновского барьера для обеих изучаемых реакций. Углы касательных столкновений для ¹³⁶Xe и ²⁰⁹Bi составляют около 37 и 34 градусов в лабораторной системе, соответственно. Вносимые угловые моменты для обеих реакций примерно одинаковы.

Измерения проводились на циклотроне У400 Лаборатории ядерных реакций
им. Г. Н. Флерова. Мишень ²³⁸U толщиной 200 мкг/см², нанесенная на углеродную подложку толщиной 30 мкг/см², облучалась ионами ¹³⁶Xe и ²⁰⁹Bi. Продукты реакции измерялись с помощью спектрометра CORSET с применением двух независимых экспериментальных методов, а именно, двухплечевых измерений времени пролета (метод ToF-ToF) для исследования двухчастичных совпадений и скоррелированных трехплечевых измерений времени пролета и энергии (метод ToF-E) для исследования трехчастичных совпадений. Схема установки для измерения MNT фрагментов реакции ¹³⁶Xe+²³⁸U приведена на Рис. 1.

Для измеряемых реакций также проведены теоретические расчеты на основе динамической модели Ланжевена для ядро-ядерных взаимодействий. Общее хорошее согласие теоретических расчетов с результатами прямых измерений и особенно для некоторых производных величин подтверждает достоверность проведенного анализа экспериментальных данных и полученных результатов.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследований двух- и трехтельных кинематических процессов в реакции ¹³⁶Xe+²³⁸U при энергии Elab = 1.11 ГэВ. “St” и “Sp” обозначают стартовый и стоповый детекторы на микроканальных пластинах, “SCD” – полупроводниковые детекторы

Один из основных результатов данного исследования показан на Рис. 2: массовое распределение для вторичных PLF для случая, когда зарегистрировано совпадение с обоими фрагментами последовательного деления комплементарного TLF (3-частичные совпадения), и массовое распределение PLF, для которого зарегистрирован выживший тяжелый фрагмент (двухтельные совпадения). Видно, что для фрагментов MNT с массой более 212 а. е. м. процесс девозбуждения образовавшихся возбужденных фрагментов MNT протекает в основном через их последовательное деление, что приводит к формированию трех продуктов реакции. Линии представляют собой теоретические массовых распределений. В то время как теория предсказывает более высокие сечения выживших тяжелых фрагментов MNT с массой 220–250 а. е. м. по сравнению с экспериментальным, предсказанные массовые выходы для фрагментов MNT, испытывающих деление, хорошо согласуются с измеренным спектром.

Рис. 2. (a) Массовые распределения вторичных PLF при двух- и трехтельных совпадениях фрагментов (синие и розовые точки), образованных в реакции ¹³⁶Xe+²³⁸U при энергии Elab = 1.11 ГэВ; (b) Массовые распределения первичных TLF для двух- и трехтельных совпадений, дополнительных к PLF при тех же самых углах регистрации. Линии представляют соответствующие теоретические расчеты

В настоящем исследовании впервые проведено измерение трехчастичных событий, образующихся в реакции MNT. Это позволило восстановить первичное массовое распределение делящихся MNT фрагментов. Сравнение первичных массовых распределений выживших и делящихся тяжелых фрагментов показало, что вероятность выживания уменьшается с увеличением их массы и составляет около 3×10^-3 для фрагментов массой 250 а. е. м. Наиболее тяжелые фрагменты, обнаруженные в полученном массовом распределении делящихся MNT фрагментов, имеют массу около 263 а. е. м. (изотопы Lr) с сечением в несколько сотен микробарн. Таким образом, в настоящей работе установлена передача около 25 нуклонов от снаряда к ядру-мишени.

Экспериментальные данные для реакции ²⁰⁹Bi+²³⁸U находятся на стадии обработки. Сравнительный анализ полученных данных для реакций ¹³⁶Xe,²⁰⁹Bi+²³⁸U позволит выяснить влияние налетающего ядра на вероятность образования трансурановых фрагментов в MNT реакциях, их энергию возбуждения и вероятность выживания.

Подобные эксперименты по одновременному измерению массово-энергетических распределений для PLF в совпадении с выжившими TLF или с обоими фрагментами последовательного деления TLF были проведены впервые. Такая методика дает возможность детального экспериментального исследования свойств фрагментов MNT.

Работа выполнена при поддержке гранта № 075-10-2020-117 Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.