High-excited states of neutron-rich isotopes of light nuclei

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Исследования экзотических ядерных состояний является одним из основных направлений развития фундаментальной ядерной физики [1, 2]. Особый интерес в этих исследованиях связан с изучением структуры легких нейтронно-избыточных ядер, находящихся вблизи границы нуклонной стабильности. Свойства этих ядерных состояний значительно отличаются от свойств ядер в долине стабильности. В частности, некоторые из этих ядер обладают аномально большими размерами, создаваемыми валентными нейтронами, образующими новый тип ядерной структуры — «нейтронное гало» [1]. Еще одной особенностей является изменение оболочечной структуры ядер при приближении к границе нуклонной стабильности — исчезновение традиционных магических чисел и возникновение новых [2]. Тяжелые изотопы гелия и лития, наряду со сверхтяжелыми изотопами водорода, характеризуются максимальным относительным превышением количества нейтронов над протонами. Для нуклонно-стабильных состояний всех ядер наибольший нейтронный избыток достигнут для ⁸He (N/Z = 3).

Все возбужденные состояния тяжелых изотопов гелия, а также высоковозбужденные состояния изотопов лития являются нуклонно-нестабильными. Исследование их параметров (энергия связи, ширина, спин-четность), а также мод распада представляет интерес с точки зрения поиска кластерных резонансов, а также изобар-аналоговых состояний.

Экспериментальная информация о высоковозбужденных состояниях изотопов гелия тяжелее ⁶He и изотопов ^10,11Li весьма ограничена и противоречива [1—5]. Это обусловлено малым числом реакций, в которых могут образовываться такие состояния. При этом в реакциях на радиоактивных пучках ионов область доступных энергий возбуждений ограничена несколькими МэВ [1, 2]. В такой ситуации эффективным методом исследования высоковозбужденных состояний является поглощение остановившихся пионов легкими ядрами [6—7]. Этот метод позволяет получить данные с высокой статической обеспеченностью в широком диапазоне энергий возбуждения, вплоть до 40 Мэ В. При этом информация о структуре уровней конкретного изотопа может быть получена сразу в нескольких каналах реакции поглощения. Например, изотоп ⁷He образуются в следующих каналах реакции: π^-9Be → d⁷He, π^-10B → pd⁷He, π^-11B → pt⁷He, π^-11B → dd⁷He, π^-12C → p⁴He⁷He, π^-12C → d³He⁷He и π^{– 14}C → t⁴He⁷He. Такое разнообразие реакций позволяет минимизировать систематические ошибки и улучшить достоверность полученных результатов.

В настоящей работе представлен обзор данных о высоковозбужденных (E_x > 8 МэВ) состояниях тяжелых изотопов гелия ^6–9He [7—10] и изотопов лития ^6–11Li [7, 11, 12], полученных нами в реакциях поглощения остановившихся пионов легкими ядрами.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Поиск ядерных состояний проводился в спектрах недостающих масс (MM), полученных в инклюзивных и корреляционных измерениях заряженных частиц, образованных при поглощении остановившихся пионов ядрами ⁹Be, ^10,11B, ^12,14C.

Эксперимент был выполнен на пионном канале низких энергий ускорительного комплекса LANL с помощью двухплечевого многослойного полупроводникового спектрометра [13]. Заряженные частицы (p, d, t, ^3,4He) регистрировались двумя телескопами, расположенными под углом 180° относительно друг друга. Полная толщина чувствительного слоя каждого телескопа (≅ 43 мм) превышала пробег всех заряженных частиц, образованных в реакции.

Энергетическое разрешение для однозарядных частиц (p, d, t) было лучше 0.5 МэВ, для двухзарядных (^3,4He) не превышало 2 Мэ В. В корреляционных измерениях для пар однозарядных частиц разрешение по недостающим массам D_MM ≈ 1 МэВ, для пар однозарядная и двухзарядная частицы — D_MM ≈ 3 МэВ. Точность привязки абсолютной шкалы в инклюзивных и коррелляционных измерениях составила 100 кэВ при регистрации однозарядных частиц и 200 кэВ при регистрации двухзарядных частиц.

Более подробно спектрометр и экспериментальная методика описаны в работах [6, 13].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Изотопы гелия

Высоковозбужденные уровни ⁶He наблюдались нами в следующих каналах реакции: π^-11B → dt⁶He, π^-10B → pt⁶He и — π^-9Be → t(⁶He → tt). Параметры наблюдаемых состояний представлены в табл. 1. Отметим, что в реакции π^-10B → dd⁶He высоковозбужденные состояния не были обнаружены. В качестве иллюстрации предложенного метода поиска на рис. 1 представлены спектры недостающих масс, полученных в реакциях на изотопах бора [7].

 

Таблица 1. Структура высоковозбужденных состояний изотопов ^6–9He

6He
Ex, МэВ	Г, МэВ	Реакция
9.3(2)	1.0(4)	π–11B → dt6He, π–10B → pt6He
15.8(6)	1.1(6)	π–9Be → t(6He→tt)
15.9(2)	3.2(7)	π–11B → dt6He
20.9(3)	3.2(6)	π–9Be → t(6He→tt)
22.1(1.0)	2.7(1.4)	π–10B → pt6He
27.0(8)	2.5(1.1)	π–10B → pt6He
31.1(1.0)	6.9(2.3)	π–9Be → t(6He→tt)
7He
Ex, МэВ	Г, МэВ	Реакция
17 (1)	~1	π–12C → p4He7He, π–11B → dd7He
21(1)	~2	π–11B → dd7He
24.5(1.0)	~2	π–11B → dd7He
8He
9.3(4)	1.7(3)	π–11B → pd8He
11.5(4)	~1	π–11B → pd8He
12.2(3)	0.8(3)	π–10B → pp8He
9He
Ex, МэВ	Г, МэВ	Реакция
10.5(2)	1.5(5)	π–11B → pp9He
≈12.5	≈1	π–14C → p4He9He

 

Рис. 1. Спектры MM для реакций: a — π^-11B dt⁶He; б — π^-10B → pt⁶He; в — π^-10B → dd⁶He. Точки с погрешностями — экспериментальные данные. Кривыми представлены распределения Брейта—Вигнера; 1 — полное описание, 2 — суммарное распределение по фазовому объему, 3 — фон случайных совпадений.

 

В реакции π^-9Be → t(⁶He → tt) удалось выделить канал с распадом ⁶He на два тритона [8]. Спектр MM построенный для событий реакции с тремя тритонами в конечном состоянии представлен на рис. 2. Таким образом в этих измерениях удалось выделить резонансы в системе двух тритонов.

 

Рис. 2. Спектр MM, полученный из энергетического спектра тритонов из реакции π^–9Be → t(⁶He → tt). За начало отсчета принята масса основного состояния ⁶He. Гистограмма — экспериментальные данные. Пунктирная линия — спектр, соответсвующий квасисвободному поглощению пиона на внутриядерном кластере ⁶Li. Сплошные линии — полное описание и распределения по Брейт—Вигнеру; 1, 2, 3 — вклады в спектр от тритонов, сопровождающих образование соответствующего состояния ⁶He; 1’, 2’, 3’ — вклады в спектр от распадных тритонов для соответствующих состояний ⁶He.

 

Относительно узкие резонансы наблюдаемые в наших измерениях, указывает на то, что эти состояния могут являться кластерными резонансными состояниями. Как следует из правила Икеды [14], кластерные резонансы проявляются вблизи порогов распада ядер. В наших измерениях наблюдается несколько состояний лежащих выше порогов распада ⁶He → tt (12.3 МэВ), ⁶He → tdn (18.7 МэВ), ⁶He → tp2n (20.9 МэВ), ⁶He → dd2n (25.1 МэВ) и ⁶He → 2p4n (29.1 МэВ). Узкие резонансы наблюдались также в двух ионных реакциях. В реакции ³Н(α, tt)¹H при энергии E_α = 67.2 МэВ наблюдались два состояния со следующими резонансными параметрами (E_r, Г): (16.1(4) МэВ, 0.8(4) МэВ) и (18.3(2) МэВ, 1.1(3) МэВ) [15]. Оба эти состояния представляют тритон-тритонный резонанс, но приведенные резонансные параметры отличаются от наших данных. В работе [16] в реакции ⁷Li(³He, p³He)⁶He при E = 120 МэВ наблюдались два узких резонанса лежащих выше порога распада ⁶He на свободные нуклоны (32.0 МэВ, <2 МэВ) и (35.7 МэВ, <2 МэВ). Также в этой области нами наблюдается состояние с E_x = 31.1(1.0), но значительно более широкое Г = 6.9(2.3) МэВ. Шестичастичный резонанс вряд ли может быть таким узким, поэтому следует предположить, что эти высоковозбужденные резонансы, по-видимому, связаны с образованием мультинейтронных кластеров ³n или ⁴n.

Высоковозбужденные уровни ⁷He наблюдались нами в следующих каналах реакции: π^-12C → p⁴He⁷He и π^-11B → dd⁷He. Параметры этих состояний представлены в табл. 1. Отметим, что в каналах p^-9Be → dX, π^-10B pdX, π^-11B ptX, π^-12C → p⁴HeX и π^-12C → d³HeX высоковозбужденные состояния ⁷He не были обнаружены, что, по-видимому свидетельствует о селективности исследованных реакций. Заметим, что высоковозбуженные состояния ⁷He в реакции на изотопе ¹¹B наблюдаются в канале (dd) и отсутствуют в канале (pt), в то время как для образования высоковозбужденных состояний ⁶He на изотопе ¹⁰B ситуация противоположна. Отметим, что в области возбуждений 15—25 МэВ наблюдаются некоторые корреляции в структуре уровней ⁶He и ⁷He. Для ⁷He это указывает на возможность того, что эти возбужденные состояния являются резонансами в системе t + ⁴H. Данные других экспериментальных работ о высоковозбужденных состояниях ⁷He отсутствуют [3—5].

Высоковозбужденные уровни ⁸He наблюдались нами в следующих каналах реакции: π^-10B pp⁸He и π^-11B → pd⁸He. Параметры наблюдаемых состояний представлены в табл. 1. Отметим, что в каналах π^-10B dX, π^-11B → tX, π^-11B → ptX, π^-14C → d⁴HeX и π^-12C → t³HeX высоковозбужденные состояния ⁸He не наблюдались. Отсутствие таких состояний в инклюзивных измерениях может быть связано с большой величиной импульса ⁷He (~ 500 МэВ/с), что приводит к подавлению образования слабосвязанных систем. Ошибки состояний с E_x = 11.5(4) МэВ и 12.2(3) перекрываются, поэтому не исключено что в двух реакциях наблюдается одно и то же состояние. Заметим, что все состояния лежат ниже порога распада ⁸He → ³H + ³H + 2n (14.445 МэВ), поэтому их образование не может быть обусловлено возбуждением частичного кора. В других работах столь высокие возбуждения не наблюдались [3—5].

В структуре уровней ⁹He высоковозбужденные состояния наблюдались нами в двух каналах реакции: π^-11B → pp⁹He и π^-14C → p⁴He⁹He. В канале π^-14C → d³HeX высоковозбужденные состояния ⁹He не были обнаружены, но следует отметить низкую статистическую обеспеченность данных в этих измерениях. Параметры наблюдаемых состояний представлены в табл. 1. Отметим, что как и для ⁸He, возбужденные состояния ⁹He, лежащие выше порога распада α-частицы отсутствуют. В других работах столь высокие возбуждения не наблюдались [3—5].

В реакции π^-14C → p³HeX не было обнаружено указаний на существование высоковозбужденных состояний ¹⁰He. Однако следует отметить низкую статистическую обеспеченность данных, полученных в измерениях этого канала реакции.

Изотопы лития

Интерес к высоковозбужденным состояниям изотопов лития обусловлен не только поиском кластерных резонансов, но и возможностью изучать изобар-аналоговые состояния тяжелых изотопов гелия.

В спектре недостающих масс реакции π^-12С → tt⁶Li наблюдалось два высоковозбужденных состояния с резонансными параметрами (E_x, G): (9.3(3) МэВ, 0.5(1) МэВ) и (18.1(2) МэВ, 3.0(5) МэВ). Первое из этих состояний возможно является изобар-аналогом ⁶He с параметрами (5.3(3) МэВ, 2(1) МэВ) [4].

В инклюзивных измерениях реакции p^-10B → tX в спектре ⁷Li найдено два высоковозбужденных состояния E_x = 11.2(1) МэВ и 13.5(3) МэВ, которые совпадает с положением изобар-аналогов основного и первого возбужденного состояний ⁷He. В пределах погрешностей измерения эти энергии возбуждения совпадают с данными компиляции [4] и работы [17]. В корреляционных измерениях реакции π^-12С → dtX был обнаружен только один высоковозбужденный уровень с E_x = 10.3(1) МэВ. Близкое значение энергии возбуждения (10.25 МэВ) наблюдалось в работе [18].

Высоковозбужденные уровни ⁸Li наблюдались нами в следующих каналах реакции: π^-12С → dd⁸Li и π^-12C → pt⁸Li. Параметры этих состояний представлены в табл. 2. Отметим, что в инклюзивных измерениях реакций π^-10B → dX и — ¹¹B → tX высоковозбужденные состояния ⁸Li не были обнаружены. Значения энергий возбуждения с E_x £10 МэВ в пределах погрешностей измерений совпадают с данными мировой компиляции [3—5]. Более высокие возбуждения были найдены только в наших измерениях.

 

Таблица 2. Структура высоковозбужденных состояний изотопов ^8–10Li

8Li
Ex, МэВ	Г, МэВ	Реакция
9.0(1)	1.5(1)	π-12С → dd8Li
9.4(2)	0.5(1)	π-12C → pt8Li
11.2(2)	0.4(2)	π-12С → dd8Li
13.5(1)	1.5(1)	π-12С → dd8Li
17.5(3)	0.8(3)	π-12С → dd8Li
9Li
Ex, МэВ	Г, МэВ	Реакция
9.1(2)	0.5(1)	π-11B d9Li
≈10.5	≈0.6	π-12C → pd9Li
10Li
Ex, МэВ	Г, МэВ	Реакция
7.8(2)	≈0.5	π-11B → p10Li, π-12C → pp10Li
≈10.1(1)	≈2	π-11B → p10Li

 

В силу изотопической инвариантности, все состояния, наблюдаемые в реакции p ¹²С → dd⁸Li, имеют изоспин T = 1, и поэтому не могут быть изобар-аналоговыми состояниями изотопа гелия ⁸He. В реакции π^-12C → pt⁸Li допустимы два значения изоспина T = 1 и 2, однако мы не наблюдали изобар-аналога ⁸He с E_x = 10.8 МэВ [5]. Следует отметить, что состояния с E_x = 11.2(2) МэВ и 13.5(1) МэВ лежат вблизи порогов распада ⁸Li^* → ⁴He+d+2n (10.8 МэВ) и ⁸Li^* → ⁴He+p+3n (13.0 МэВ). Это может служить указанием на то, что наблюдаемые состояния являются многочастичными кластерными резонансами.

Высоковозбужденные уровни ⁹Li наблюдались нами в следующих каналах реакции: π^-11B → d⁹Li и π^-12C → pd⁹Li. Параметры этих состояний представлены в табл. 2. В реакции π^-14C → dtX высоковозбужденные состояния не наблюдались. Отметим, что состояние с E_x = 9.1(2) МэВ лежит вблизи порога распада ⁹Li^* → ⁶He+t (7.59 МэВ), и поэтому может представлять собой кластерный резонанс. В наших измерениях не найдено указаний на существовании возбужденных состояний в диапазоне 16 МэВ < E_x < 19 МэВ, наблюдаемых в работе [19].

Теоретическое рассмотрение кластерных резонансов в системе ⁶He+t было выполнено в работе [20]. В области 8.6 МэВ < E_x < 11.6 МэВ предсказано существование четырех уровней со спин-четностями J^P = 1/2^–, 3/2^–, 5/2^–, и 7/2^– (к сожалению, значения энергий возбуждения были представлены только в графическом виде). Можно предположить, что обнаруженное состояние (9.1 МэВ) имеет J^P = 1/2^– или 3/2^–, а состояние (10.5 МэВ) имеет J^P = 5/2^– или 7/2^–.

Высоковозбужденные уровни ¹⁰Li наблюдались нами в следующих каналах реакции: π^-11B → p¹⁰Li и π^-12C → pp¹⁰Li. Параметры наблюдаемых состояний представлены в табл. 2. В реакциях π^-14C → ptX и π^-14C → ddX указаний на обнаружение высоковозбужденных состояний ¹⁰Li не было найдено.

Порог распада ¹⁰Li^* → ⁶He+t+n, равный 7.6 МэВ, лежит ниже наблюдаемых уровней в наших измерениях. В такой ситуации можно предположить, что эти состояния представляют собой резонансы в системах ⁷He+t или ⁶He+⁴H.

Высоковозбужденные состояния ¹¹Li и ¹²Li в измерениях каналов π^-14C → pdX и π^-14C → ppX, соответственно, не были обнаружены. Возможно, это связано с низкой статической обеспеченностью полученных данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Образование высоковозбужденных состояний (E_x > 8 МэВ) нейтронно-избыточных изотопов гелия и лития исследовалось в реакциях поглощения остановившихся пионов ядрами ⁹Be, ^10,11B и ^12,14C. Для большинства ядер в этих измерениях получены рекордные, по сравнению с мировыми данными, энергии возбуждения. Несколько из наблюдаемых состояний изотопов лития идентифицированы, как изобар-аналоговые состояния изотопов гелия. В спектрах изотопов гелия и лития найдены кандидаты на кластерные резонансы.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект FSWU-2023-0073).

作者简介

Yu. Gurov

National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute); Joint Institute for Nuclear Research

Email: chernyshev@mephi.ru
俄罗斯联邦, Moscow; Dubna, 141980

V. Sandukovsky

Joint Institute for Nuclear Research

Email: chernyshev@mephi.ru
俄罗斯联邦, Dubna, 141980

M. Tel’kushev

Joint Institute for Nuclear Research

Email: chernyshev@mephi.ru
俄罗斯联邦, Dubna, 141980

B. Chernyshev

National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)

编辑信件的主要联系方式.
Email: chernyshev@mephi.ru
俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件