По итогам прошлого года Первую премию ОИЯИ 2022 года в конкурсе научно-исследовательских экспериментальных работ получил коллектив авторов цикла работ «Фабрика сверхтяжелых элементов: первые результаты»: Юрий Оганесян, Сергей Дмитриев, Фарид Абдуллин, Дастан Ибадуллаев, Александр Поляков, Роман Сагайдак, Владимир Утенков, Юрий Цыганов, Максим Шумейко, Никита Коврижных. О проделанной работе рассказал начальник сектора синтеза и свойств сверхтяжелых ядер Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Владимир Утенков. За последние несколько лет учеными были продемонстрированы результаты высочайшего уровня. Исследователи провели серию экспериментов, в ходе которых синтезированы новые изотопы ²⁸⁶Mc, ²⁷⁵Ds, ²⁷⁶Ds, ²⁷²Hs, ²⁶⁸Sg и ²⁶⁴Lr, впервые определены свойства распада ²⁶⁸Db, обнаружены новые свойства распада известных ядер.

Фабрика сверхтяжелых элементов

Начиная с 1999 года в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ открыта область сверхтяжелых элементов, существование которой было предсказано около 60 лет тому назад. Многочисленные эксперименты, выполненные ранее в разных лабораториях мира, оказались безуспешными. Ученые ОИЯИ сумели повысить чувствительность экспериментов по сравнению с более ранними, что привело к открытию 6 новых элементов – со 113-го по 118-й – и синтезу более 50 новых изотопов элементов от 104-го до 118-го. Эти эксперименты были выполнены на ускорителе У-400 и сепараторе DGFRS, имеющих рекордную чувствительность для того времени. Однако ее оказалось недостаточно для опытов по синтезу новых элементов тяжелее 118-го. Необходимых параметров эксперимента ученым удалось достичь благодаря вводу в эксплуатацию более трех лет назад современного экспериментального комплекса – Фабрики сверхтяжелых элементов.

«Основная задача экспериментов, выполненных на Фабрике сверхтяжелых элементов, состояла в изучении возможностей комплекса, в который входит новый ускоритель ДЦ-280, имеющий рекордную интенсивность ускоряемых ионов, почти на порядок выше, чем обеспечивают имеющиеся в мире ускорители, а также новый сепаратор DGFRS-2, – рассказывает начальник сектора синтеза и свойств сверхтяжелых ядер ЛЯР ОИЯИ Владимир Утенков. – Проведенные эксперименты позволили детально изучить характеристики нового сепаратора и показали, что Фабрика обладает уникальными возможностями для синтеза новых элементов».

Сердце Фабрики сверхтяжелых элементов – ДЦ-280

По словам ученого, новый сепаратор в два раза более эффективно собирает образовавшиеся в мишени ядра на детекторах по сравнению с сепаратором DGFRS. «Аналогичные сепараторы в других лабораториях мира имеют сравнимую эффективность сбора, но степень очистки искомых ядер от фоновых продуктов реакций, которые сильно затрудняют проведение эксперимента и разрушают детекторы, является рекордной: на два порядка (100 раз) выше, чем на сепараторе DGFRS, и значительно выше, чем на других сепараторах», – отмечает Владимир Утенков.

Эксперименты по изучению реакции ²⁴³Am+⁴⁸Cа были выполнены при шести энергиях ⁴⁸Cа. Было зарегистрировано 125 цепочек распада изотопов Мс. Такое количество цепочек более чем в три раза превышает число распадов этих изотопов, зарегистрированных в предыдущих экспериментах, выполненных на сепараторе DGFRS в течение 2003-2012 годов. Из сравнения с результатами более ранних экспериментов было показано, что эффективность сбора ядер на детекторах нового сепаратора в два раза превышает трансмиссию DGFRS, что крайне важно для постановки экспериментов по синтезу новых сверхтяжелых элементов тяжелее Og (Z=118).

Новый сепаратор DGFRS-2

Впервые синтезирован новый, самый легкий, изотоп ²⁸⁶Мс. Свойства его распада имеют большое значение для идентификации нового элемента 119, продукта реакции ²⁴³Am(⁵⁴Cr,3n)²⁹⁴119, методами корреляций с известными ядрами и перекрестных реакций.

Определено сечение 5n канала реакции ²⁴³Am+⁴⁸Cа, этот канал ранее наблюдался только в реакциях с четными по Z мишенными ядрами (по одной цепочке в реакциях с ²⁴⁴Pu и ²⁴²Pu). Максимальное сечение реакции ²⁴³Am(⁴⁸Ca,3n)²⁸⁸Mc составило 17 пб (1 пб = 10^-36 см²), что в два раза выше ранее измеренных значений и является самым большим из всех известных сечений образования сверхтяжелых ядер.

Измерены и определены с большей точностью свойства распада 21 изотопа сверхтяжелых элементов от Mc до Db. В экспериментах, выполненных ранее в ЛЯР (на сепараторе DGFRS), а позже в GSI (Общество по исследованию тяжелых ионов, Дармштадт, ФРГ) на сепараторе TASCA и LBNL (Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли) на сепараторе BGS, у изотопа ²⁶⁸Db (период полураспада около 1 д.) наблюдалось только спонтанное деление. Зарегистрировать его возможный альфа-распад не позволяли большое время жизни и высокий фон частиц, не отличимых от альфа-частиц. Благодаря высокому фактору подавления фоновых частиц на DGFRS-2 (на два порядка) удалось впервые зарегистрировать альфа-распад ²⁶⁸Db, вероятность которого составляет около 50%. Это привело к открытию нового спонтанно делящегося изотопа ²⁶⁴Lr. Поскольку все предыдущие оценки периода полураспада ²⁶⁸Db основывались на наблюдении спонтанного деления в конце цепочек распада ²⁸⁸Mc, которое может быть обусловлено как делением ²⁶⁸Db, так и ²⁶⁴Lr, можно утверждать, что радиоактивные свойства ²⁶⁸Db также определены впервые.

Впервые зарегистрирована ветвь на спонтанное деление изотопа ²⁷⁹Rg в цепочке распада ²⁸⁷Mc, что позволило определить его стабильность относительно деления.

Также проведены серии экспериментов по изучению изотопов четных элементов в реакциях ²⁴²Pu+⁴⁸Ca и ²³⁸U+⁴⁸Ca. В реакции /sup>238U+⁴⁸Ca зарегистрировано 16 цепочек распада ²⁸³Cn (Z=112) и его дочерних ядер вплоть до ²⁶⁷Rf (Z=104) при двух энергиях ⁴⁸Ca вблизи кулоновского барьера реакции. Интенсивность пучка ⁴⁸Ca достигала 6.5 мкА частиц, что в 6 раз превысило возможности существующих в мире ускорителей.

Этот же изотоп наблюдался после распада его материнского изотопа ²⁸⁷Fl в реакции ²⁴²Pu(⁴⁸Ca,3n)²⁸⁷Fl. Синтезировано 69 цепочек его распада. Отметим, что большинство цепочек обрывается спонтанным делением ядра ²⁷⁹Ds (Z=110). Ранее наблюдались лишь 4 цепочки, в которых этот изотоп испытывал альфа-распад. В данных экспериментах на DGFRS-2 зарегистрировано 11 новых альфа-распадов ²⁷⁹Ds. Это позволило не только значительно точнее определить свойства дочерних ядер ²⁷⁵Hs, ²⁷¹Sg и ²⁶⁷Rf. Результаты указывают на существование распадов ²⁸⁷Fl, ²⁸³Cn и ²⁷⁹Ds через разные уровни этих ядер, которые в одном случае ведут к альфа-распаду ²⁷⁹Ds, а в другом к его спонтанному делению, что не наблюдалось у ядер сверхтяжелых элементов. Ранее такая особенность была обнаружена только у двух легких ядер – ²⁶¹Rf и ²⁴⁷Md. Значительное повышение числа зарегистрированных ядер привело к более точному определению сечения реакции ²⁴²Pu(⁴⁸Ca,3n)²⁸⁷Fl, которое оказалось втрое выше ранее известной величины.

В другом канале реакции, ²⁴²Pu(⁴⁸Ca,4n)/sup>286Fl, синтезировано 25 цепочек четно-четного изотопа ²⁸⁶Fl, который приблизительно с равными вероятностями испытывает альфа-распад или делится спонтанно. Новые данные позволили получить два существенных результата. Во-первых, они ставят под сомнение результаты опытов, проведенных на сепараторе TASCA (GSI), в которых в одной из двух наблюденных цепочек распада ²⁸⁶Fl предположительно наблюдался распад четно-четного ядра на высокий энергетический уровень дочернего ядра, что может указывать на деформацию указанных ядер, которая не следует из традиционных теоретических расчетов. Число ядер ²⁸⁶Fl, в которых такой распад не наблюдался, на порядок превышают результат указанной работы. С другой стороны, впервые для четно-четного сверхтяжелого ядра зарегистрирована дополнительная к основной линия, энергия которой ниже на 100-200 кэВ. Одним из возможных объяснений происхождения этой линии является распад из основного состояния ²⁸⁶Fl (0⁺) на первый ротационный уровень дочернего ядра ²⁸²Cn. Это предположение хорошо согласуется с расчетами энергии уровня 2⁺. Точное измерение энергии этого уровня позволит в будущем впервые определить деформацию сверхтяжелого ядра.

Не менее интересным представляется другое объяснение природы наблюдавшейся линии – распад ядер через их изомерные состояния. Согласно расчетам, такое отличие в энергии может быть обусловлено распадами через два теоретически предсказанных изомерных уровня 5π+ ядер ²⁸⁶Fl и ²⁸²Cn. Такие экзотические распады также никогда не наблюдались для сверхтяжелых ядер. В ходе данных экспериментов более точно определены свойства распада 8 изотопов элементов от Rf до Fl.

Проведены также эксперименты по синтезу изотопов Ds в реакции ²³²Th+⁴⁸Ca. Их свойства важны как для идентификации нового элемента 120 в реакциях ²⁴⁹Cf+⁵⁰Ti и ²⁴⁵Cm+⁵⁴Cr, т.к., альфа-распады ядер ^295,296120 ведут к изотопам ^275,276Ds, так и предсказаний сечений образования изотопов элемента 120. Впервые синтезировано шесть цепочек распада нового изотопа ²⁷⁶Ds, альфа-распад которого привел к открытию еще двух изотопов ²⁷²Hs и ²⁶⁸Sg. В одном из этих экспериментов измеренное сечения реакции составило 0.07 пикобарн, что сопоставимо с ожидаемым сечением образования новых элементов 119 и 120. Также синтезирован новый изотоп ²⁷⁶Ds. Альфа-распад этого ядра привел к изотопам ²⁷¹Hs, ²⁶⁷Sg и ²⁶³Rf, которые ранее были получены в реакции ²⁴⁸Cm(²⁶Mg,3n)²⁷¹Hs. Таким образом, впервые наблюдался альфа-распад из области сверхтяжелых ядер, полученных в реакциях с ионами ⁴⁸Са, в область ядер, которые считаются известными. Этот факт еще раз подтвердил достоверность всей совокупности результатов по синтезу сверхтяжелых ядер.

Полученные результаты продемонстрировали высокую чувствительность Фабрики сверхтяжелых элементов, которая необходима для продолжения исследований области сверхтяжелых элементов и синтеза новых элементов – 119 и 120.

Данные исследования частично были поддержаны грантом Минобрнауки России «Сверхтяжелые ядра и атомы: пределы масс ядер и границы Периодической таблицы Д. И. Менделеева».

Публикации по результатам исследований:

1. 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 ²³⁸U targets at the JINR Superheavy Element Factory. Phys. Rev. C 106, 026412 (2022).
2. 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).
3. Н.Д. Коврижных, Ю.Ц. Оганесян, В.К. Утенков, Ф.Ш. Абдуллин, С.Н. Дмитриев, А.А. Джиоев, Д. Ибадуллаев, М.Г. Иткис, А.В. Карпов, Д.А. Кузнецов, О.В. Петрушкин, А.В. Подшибякин, А.Н. Поляков, А.Г. Попеко, И.С. Рогов, Р.Н. Сагайдак, Л. Шлаттауэр, И.В. Широковский, В.Д. Шубин, М.В. Шумейко, Д.И. Соловьев, Ю.С. Цыганов, А.А. Воинов, В.Г. Субботин, А.Ю. Бодров, А.В. Сабельников, А.В. Халкин, В.Б. Злоказов, К.П. Рикачевски, Т.Т.Кинг, Дж.Б. Роберто, Н.Т.Брюэр, Р.К. Грживач, З.Г. Ган, З.Я.Чжан, М.Х. Хуан, Х.Б. Ян. Первый эксперимент на Фабрике Сверхтяжелых Элементов: новые данные в реакции ²⁴³Am + ⁴⁸Ca. Доклад на LXXII Международной конференции «Ядро-2022: Фундаментальные вопросы и приложения». Вестник РАН. Серия Физическая (принято в печать).
4. Д. Ибадуллаев, В. К. Утенков, Ю. Ц. Оганесян, Ф.Ш. Абдуллин С.Н. Дмитриев, М.Г.Иткис, А.В. Карпов, Н.Д. Коврижных, Д.А. Кузнецов, О.В. Петрушкин, А.В. Подшибякин,А.Н. Поляков, А.Г. Попеко, Р.Н. Сагайдак, Л. Шлаттауэр, В.Д. Шубин, М.В. Шумейко, Д.И.Соловьев, Ю.С. Цыганов, А.А. Воинов, В.Г. Субботин, А.Ю. Бодров, А.В. Сабельников, A.Линднер, K.П. Рикашевски, T.T. Кинг, Дж.Б. Роберто, Н.T. Брюуэр, Р.K. Гживатч, З.Г. Ган,З.И. Жан, M.Х. Хуан, Х.Б. Ян, Ш.Г. Гиниятова. Исследование реакции ²⁴²Pu + ⁴⁸Ca на Фабрике Сверхтяжелых Элементов. Доклад на LXXII Международной конференции «Ядро-2022: Фундаментальные вопросы и приложения». Вестник РАН. Серия Физическая (принято в печать).
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. Yu. Ts. Oganessian, V. K. Utyonkov, M. V. Shumeiko, 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, A. G. Popeko, I. S. Rogov, R. N. Sagaidak, L. Schlattauer, V. D. Shubin, D. I. Solovyev, Yu. S. Tsyganov, A. A. Voinov, V. G. Subbotin, N. S. Bublikova, M. G. Voronyuk, A. V. Sabelnikov, A. Yu. Bodrov, Z. G. Gan, Z. Y. Zhang, M. H. Huang, and H. B. Yang. New isotope ²⁷⁶Ds and its decay products ²⁷²Hs and ²⁶⁸Sg from the ²³²Th + ⁴⁸Ca reaction. Phys. Rev. C (to be published).