Из цикла Премии ОИЯИ 2019

Подходя к какому-то рубежу (временному, пространственному или сущностному), людям свойственно подводить итоги и строить планы на будущее. Пик таких переосмыслений происходящего, в науке в том числе, приходится, как правило, на конец очередного столетия. Не исключением стал и финал 20-го века: появилось несколько перечней нерешенных проблем физики, которыми стоило бы заняться в веке 21-м. В большинстве таких перечней фигурирует проблема, которую можно сформулировать так: «Как образовались во Вселенной химические элементы тяжелее железа?».

Сегодня, спустя 20 лет с начала века, астрофизики в целом понимают, как образовались эти элементы, но где — еще не совсем ясно. Огромные надежды возлагаются на открытие гравитационных волн и последовавшее бурное развитие так называемой многоканальной астрономии (multi-messenger astronomy), т. е. одновременном наблюдении какого-то астрономического события всеми доступными исследователям инструментами. Спусковым крючком (триггером) к началу такого наблюдения как раз и должна стать регистрация гравитационного или нейтринного сигнала.

Вопрос же, как синтезируются тяжелые химические элементы, перекочевал на плечи физиков ядерных. Считается, что самые тяжелые элементы (торий, уран и более тяжелые) образуются в результате быстрого захвата ядром-прародителем большого числа нейтронов. Такой сценарий называют r-процессом (от английского rapid-быстрый). В ядро нейтроны должны попадать так часто, чтобы оно, перегруженное нейтронами, а потому радиоактивное, продолжало их захватывать, не успевая распадаться. Так можно добраться не только до урана — самого тяжелого из элементов на Земле, но, возможно, и до сверхтяжелых элементов, образующих Остров стабильности, в искусственном синтезе которых так преуспела Дубна.

Для того чтобы убедиться в правильности наших представлений о природном нуклеосинтезе, чрезвычайно важно не только установить, при каких условиях возможно успешное протекание r-процесса (поиск таких событий во Вселенной и есть задача астрофизиков), но и знать свойства (массы, времена жизни, особенности радиоактивного распада и т. п.) тех самых нейтроноизбыточных ядер, вовлекаемых в природный нуклеосинтез.

Для того чтобы изучить что-либо, нужно это что-то вначале получить, причем в достаточном для изучения количестве. В ядерной физике известны три основных метода искусственного получения новых ядер: слияние, деление и фрагментация. В результате слияния стабильных ядер синтезируются ядра с недостатком нейтронов. Поэтому ядра с избытком нейтронов можно получать только в процессах деления более тяжелых ядер или их фрагментации. В мире работают несколько огромных, чрезвычайно дорогостоящих ускорительных комплексов и создаются новые для того, чтобы иметь доступ к ядрам, далеким от стабильных. Ставка сегодня делается на реакции деления и фрагментации.

Однако оказалось, что оба этих способа плохо работают, если речь идет о получении обогащенных нейтронами ядер с магическим числом нейтронов 126 — области, чрезвычайно важной для понимания астрофизического нуклеосинтеза тяжелых элементов. Для ядер же тяжелее урана они просто не работают.

Карта известных ядер, а также схематическое изображение основных способов их получения

Поиск нового способа синтеза интересующих исследователей ядер в очередной раз подтвердил справедливость крылатого выражения, что все новое — это хорошо забытое старое. Более 50 лет назад в ЛЯР В. В. Волковым и коллегами был открыт новый тип ядерных реакций, которые называют реакции глубоконеупругого рассеяния, или реакции многонуклонных передач. Последнее название связано с тем, что в этих реакциях ядра, приходя во взаимодействие, могут обмениваться большим число нуклонов, образуя тем самым новые, еще не известные ядра. Эта особенность позволила группе В. В. Волкова открыть порядка 30 новых легких ядер в реакциях глубоконеупругого рассеяния.

Тем не менее, эти новые реакции оказались крайне неудобными для физика-экспериментатора. Ядра вылетают из мишени в очень широком диапазоне углов, энергий и зарядовых состояний, что чрезвычайно усложняет задачу их сбора, сепарации и идентификации. Понимание механизма этих реакций на теоретическом уровне в общем-то тоже было недостаточным. Как результат, о реакциях многонуклонных передач практически забыли на несколько десятилетий, а новые (в том числе нейтроноизбыточные) ядра получали «титаническими» усилиями, о которых говорилось выше.

Вновь к реакциям многонуклонных передач как методу получения новых тяжелых и сверхтяжелых ядер с избытком нейтронов вернулись около 20 лет назад во многом по инициативе В. И. Загребаева (заместитель директора ЛЯР до 2015 года) и В. Грайнера (Франкфуртский университет, Германия). Ими было продемонстрировано, что эти реакции могут быть вполне эффективными и конкурентоспособными для получения нейтроноизбыточных тяжелых ядер.

Сегодня реакции многонуклонных передач — одна из популярнейших тем исследования в ведущих ядерно-физических центрах мира. Проектируются и строятся новые современные установки, способные работать с такими «неудобными» реакциями. Цель создания большинства установок — применение реакций многонуклонных передач для получения и изучения новых ядер. Очевидно, что их эффективность будет сильно зависеть от нашего понимания того, как эти реакции происходят и какими кинематическими характеристиками обладают продукты реакций. Поэтому особое значение сейчас приобретают исследования (как теоретические, так и экспериментальные), направленные на изучение самих этих реакций, особенностей их протекания, выявление различных закономерностей.

Цикл работ, в которых нам (автору этой статьи и младшему научному сотруднику ЛЯР В. В. Сайко) удалось создать динамическую модель ядро-ядерных столкновений, позволяющую достаточно аккуратно описывать реакции многонуклонных передач при взаимодействии тяжелых ионов, был удостоен второй премии ОИЯИ за 2019 год. Выполненные исследования подтвердили эффективность реакций многонуклонных передач как метода синтеза нейтроноизбыточных ядер. Были сделаны рекомендации по выбору конкретных комбинаций ядер, а также по постановке соответствующих экспериментов. Мы ожидаем, что исследования будут продолжены и надеемся, что они в итоге помогут ответить на одну из загадок современной физики о происхождении химических элементов во Вселенной.

Александр Карпов,
ученый секретарь ЛЯР ОИЯИ