ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ФРАГМЕНТАЦИИ ЛЕГКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ЯДЕР МЕТОДОМ ЯДЕРНОЙ ЭМУЛЬСИИ Проект BECQUEREL-C на 2009 - 11 П. И. Зарубин Сотрудничество. - презентация

1 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ФРАГМЕНТАЦИИ ЛЕГКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ЯДЕР МЕТОДОМ ЯДЕРНОЙ ЭМУЛЬСИИ Проект BECQUEREL-C на П. И. Зарубин Сотрудничество БЕККЕРЕЛЬ

2 Д. А. Артеменков, В. Браднова, П. И. Зарубин, И. Г. Зарубина, Д. О. Кривенков, А. И. Малахов, П. А. Рукояткин, В. В. Русакова, Т. В. Щедрина Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия (ОИЯИ) В. Р. Саркисян, А. А. Моисеенко Ереванский физический институт, Ереван, Армения М. Хайдук, А. Неагу, Е. Штефан Институт космических исследований, Магурель-Бухарест, Румыния С. Г. Герасимов, Л. А. Гончарова, В. А. Дронов, Г. И. Орлова, Н. Г. Пересадько, Н. Г. Полухина, М. М. Чернявский, В. Н. Фетисов, С. П. Харламов Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН, Москва, Россия (ФИАН) С. Вокал, А. Кравчакова Университет имени П. Й. Шафарика, Кошице, Словакия Р. Станоева, И. Цаков Институт ядерных исследований БАН, София, Болгария.

3 Актуальные задачи проекта Предлагаемое на гг. продолжение проекта БЕККЕРЕЛЬ должно стать новым этапом изучения легких ядер на границе протонной стабильности. Наиболее приоритетные задачи состоят в исследовании множественной фрагментации радиоактивных ядер 9 С и 12 N в ядерной эмульсии. Подлежащие анализу слои эмульсии уже облучены этими ядрами. Будут продолжены исследования кластерных степеней свободы в ядрах 7,9 Be, 8,10,11 B, 14 N, 28 Si и 32 S на новом уровне статистики и детальности описания. Предполагается осуществить поиск редких каналов диссоциации, идентификация которых может иметь значение для развития физики ядра, а также обоснования новых сценариев нуклеосинтеза в ядерной астрофизике. Новые облучения ядерной эмульсии будут выполнены во вторичных пучках содержащих изотопы 10,11 C и формируемых с помощью реакций перезарядки. В рамках экспериментов по облучению предполагается осуществить поиск процесса двойной перезарядки ядер 9 Be в 9 С, связанного с глубокой перегруппировкой нуклонов.

4 Совмещенные микрофотографии взаимодействия релятивистского ядра 32 S и волоса полученные с помощью микроскопа МБИ-9 при 60-кратном увеличении и цифровой фотокамеры NIKON. Достоинства метода ядерной эмульсии

5 Введение Создание пучков стабильных и радиоактивных ядер на ускорителях высоких энергий открывает качественно новые возможности для изучения структурных особенностей атомных ядер и их возбужденных состояний. Среди разнообразия ядерных взаимодействий события периферической диссоциации несут уникальную по полноте информацию о возбужденных состояниях ядер над порогами распадов на нуклоны. С 2002 г. Сотрудничеством БЕККЕРЕЛЬ осуществляется облучение ядерных эмульсий на вновь формируемых пучках нуклотрона ОИЯИ, включая вторичные пучки радиоактивных ядер. Экспериментальная программа Сотрудничества ориентирована на создание систематических представлений о картине фрагментации стабильных и радиоактивных ядер в периферических взаимодействиях, обеспечивающих наиболее полное наблюдение ядерных фрагментов. Рекордное пространственное разрешение ядерных эмульсий открывает доступ к уникальной информации о кластерных возбуждениях легких ядер вблизи порогов диссоциации. В Сотрудничестве объединены группы, обладающие просмотровыми и измерительными микроскопами, а также оборудованием для обработки ядерной эмульсии.

6 Схема периферической диссоциации релятивистского ядра 8 B в электромагнитном поле ядра Ag: сближение ядер с прицельным параметром b (a), поглощение ядром 8 B квазиреального фотона (b), поглощение ядром 8 B квазиреального фотона (b), диссоциация на два фрагмента p и 7 Be (с). Периферические взаимодействия релятивистских ядер

7 Диссоциация 8 В 7 Ве + p c энергией 1.2 A ГэВ в периферическом взаимодействии на ядре эмульсии. На верхней фотографии указана вершина взаимодействия IV. При смещении по направлению струи фрагментов (нижняя фотография) можно различить фрагмент Be и фрагмент Н.

8 Диссоциация 8 В 2Не + Н c энергией 1.2 A ГэВ в периферическом взаимодействии на ядре эмульсии. На верхней фотографии видна вершина взаимодействия и струя фрагментов в узком угловом конусе. При смещении по направлению струи фрагментов (нижняя фотография) можно различить 2 фрагмента He и фрагмент Н (трек в середине).

9 NUCLOTRON: 2.1 А GeV 14 N

10 370 events 1.2 A GeV 9Be2He 39 stars with heavy fragment of target nucleus (b-particle) 144 white stars +1.7 MeV 27 stars with target proton recoil (g-particle)

11 НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ СОТРУДНИЧЕСТВА В гг. Т. В. Щедрина, В. Браднова, А. Вокалова, C. Bокал, П. И. Зарубин, И. Г. Зарубина, А. Д. Коваленко, А. И. Малахов, Г. И. Орлова, П. А. Рукояткин, В. В. Русакова, М. Хайдук, С. П.Харламов, М. М. Чернявский, Периферические взаимодействия релятивистских ядер 14 N с ядрами фотоэмульсии, Ядерная физика, (2007); перевод на англ. яз. T. V. Shchedrina et al., Phys. At. Nucl., 70, 1230 (2007); arXiv:nucl-ex/ N. P.Andreeva, D. A. Artemenkov, V. Bradnova, M. M.Chernyavsky, A. Sh. Gaitinov, N. A. Kachalova, S. P. Kharlamov, A. D. Kovalenko, M. Haiduc, S. G. Gerasimov, L. A. Goncharova, V. G. Larionova, A. I. Malakhov, A. A. Moiseenko, G. I. Orlova, N. G. Peresadko, N. G. Polukhina, P. A. Rukoyatkin,V. V. Rusakova, V. R. Sarkisyan, T. V. Shchedrina, E. Stan, R. Stanoeva, I. Tsakov, S. Vokal, A. Vokalova, P. I. Zarubin, I. G. Zarubina, Clustering in light nuclei in fragmentation above 1A GeV, Eur. Phys. J. A27 S1 295(2006), arXiv:nucl-ex/ Д. А. Артеменков, В. Браднова, П. И. Зарубин, И. Г. Зарубина, Н. А. Качалова, А. Д. Коваленко, А. И. Малахов, Г. И. Орлова, М. М Чернявский, П. А. Рукояткин, Р. Станоева, В. В Русакова, Е. Стан, М. Хайдук, С. П. Харламов, И. Цаков, Т. В. Щедрина, Особенности фрагментации 9 Be в 2He при энергии 1.2А ГэВ, Ядерная физика, (2007); перевод на англ. яз. D. A. Artemenkov et al., Phys. At. Nucl., 70, 1226 (2007); arXiv:nucl-ex/ v1. Н. Г. Пересадько, Ю. А. Александров, В. Браднова, С. Вокал, С. Г. Герасимов, В. А. Дронов, П. И. Зарубин, И. Г. Зарубина, А. Д. Коваленко, В. Г. Ларионова, А. И. Малахов, П. А. Рукояткин, В. В. Русакова, С. П. Харламов, В. Н. Фетисов, Каналы фрагментации релятивистских ядер 7 Ве в периферических взаимодействиях, Ядерная физика, (2007); перевод на англ. яз. D. A. Artemenkov et al., Phys. At. Nucl., 70, 1266(2007); arXiv:nucl-ex/ Р. Станоева, В. Браднова, С. Вокал, П. И. Зарубин, И. Г.Зарубина, Н. А. Качалова, А. Д. Коваленко, А. И. Малахов, Г. И.Орлова, Н. Г. Пересадько, П. А. Рукояткин, В. В. Русакова, Е. Стан, М. Хайдук, С. П. Харламов, И. Цаков, Т. В. Щедрина, Периферическая фрагментация ядер 8 B с энергией 1.2А ГэВ в ядерной эмульсии, Ядерная физика, (2007); перевод на англ. яз. R. Stanoeva et al., Phys. At. Nucl., 70, 1216 (2007); arXiv:nucl-ex/ v3. D. A. Artemenkov, T. V. Shchedrina, R. Stanoeva, and P. I. Zarubin, Clustering features of 9 Be, 14 N, 7 Be, and 8 B nuclei in relativistic fragmentation, AIP Conf. Proc. 912, 78(2007); arXiv: P. A. Rukoyatkin, L. N. Komolov, R. I. Kukushkina, V. N. Ramzhin, «Beams of relativistic nuclear fragments at the Nuclotron accelerator facility»; Czechoslovak Journal of Physics, Supplement C, Vol. 56, C379 (2006).

12 9 Be: Invariant mass distribution of 371 α-pairs 7 Be: fragmentation topology 8 B: Total P T ( 7 Be+p) EMD whitestars n h0 14 N: 3α systems

13 Диаграмма кластерных степеней свободы в легких ядрах. Приведены времена жизни и распространенности изотопов Приведены времена жизни и распространенности изотопов. Физическая программа проекта BECQUEREL-C

14 Анализ облучения ядрами 9 С

15 Поиск кластерной диссоциации 8 B2 3 He+ 2 H 8 B2 3 He+ 2 H

16 Анализ фрагментации 9 Be + p 2α на новом уровне 9 Be + p 2α на новом уровне статистики статистики

17 Диаграмма слияния p + 11 C с распадом в ядро 12 C. Анализ облучения ядрами 12 N

18 Облучение эмульсии ядрами 11 C

19 NUCLOTRON:1.2A GeV 11 B NUCLOTRON:1.2A GeV 11 B

20 2.0 A GeV 1 11B4Не+7Be

21 Облучение эмульсии ядрами 10 C

22 Фрагментация ядра 10 С c энергией 1.2 A ГэВ в периферическом взаимодействии на ядре эмульсии. На верхней микрофотографии видна вершина взаимодействия и струя фрагментов в узком угловом конусе. При смещении по направлению струи фрагментов (нижняя микрофотография) можно различить 2 фрагмента He и 2 фрагмента Н.

23 1.0 A ГэВ 1 10B23Не+4Не

24 Особенности формирования вторичных пучков

25 Магнитные каналы корпуса 205. Стрелками указаны ответвления 1 (канал 3v) и 2 (канал 4v) при облучении эмульсии.

26 Зарядовые спектры со сцинтилляционного монитора при формировании вторичного пучка c кратностью Zpr/Apr = 4/7 в реакции перезарядки 7 Li 7 Be.

27 Зарядовые спектры со сцинтилляционного монитора при формировании вторичного пучка с кратностью Zpr/Apr = 4/9 в реакции фрагментации 10 B 9 Be на канале 3v.

28 Зарядовые спектры со сцинтилляционного монитора при формировании вторичного пучка с кратностью Zpr/Apr = 5/8 в реакции фрагментации 10 B 8 B на канале 3v.

29 Зарядовые спектры со сцинтилляционного монитора при формировании вторичного пучка с кратностью Zpr/Apr = 2/3 в реакции фрагментации 12 C 9 C на канале 3v.

30 Зарядовые спектры со сцинтилляционного монитора при формировании вторичного пучка с кратностью Zpr/Apr = 5/12 в реакции перезарядки 12 C 12 N на канале 3v.

31

32 Методическое обоснование проекта В проекте используются метрология ядерной эмульсии, ставшая уже классической. Далее будут проиллюстрированы ее ключевые возможности на основе экспериментальных данных Сотрудничества по исследованию стабильных ядер 14 N и 9 Be, а также одного из радиоактивных ядер 8 B. Особенности анализа этих ядер наиболее близки к требованиям для впервые исследуемых ядер 9,10,11 C и 12 N и в достаточной степени удовлетворяют целям настоящего проекта.

33 ДИССОЦИАЦИЯ ЯДЕР 14 N

34 ЗАРЯДОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ На микрофотографии показан участок следа, оставленного в эмульсии релятивистским ядром 14 N. Стрелками указаны следы -электронов. Стрелками указаны следы -электронов.

35 Распределения по числу δ-электронов для следов пучковых частиц, давших изучаемые взаимодействия (53 следа).

36 Распределения по числу δ-электронов следов фрагментов-спектаторов с зарядами Z fr > 2 (83 следа).

37 ИЗМЕРЕНИЕ ФРАГМЕНТОВ ЯДЕР 8 В Распределения по числу δ-электронов на 1 мм следов пучковых частии релятивистских фрагментов с зарядами Z fr > 2.

38 Пример восстановленных направлений вылета (углов α, ) α-частиц, образующихся при фрагментации 9 Be 2α, по измеренным точкам на треках образующихся при фрагментации 9 Be 2α, по измеренным точкам на треках. ДИССОЦИАЦИЯ ЯДЕР 9 Вe: УГЛОВОЕ РАЗРЕШЕНИЕ УГЛОВОЕ РАЗРЕШЕНИЕ

39 Распределение одно- и двухзарядных фрагментов ядра 14 N по измеренным значениям рβс в канале диссоциации 3Не+Н.

40 Зависимость квадратного корня среднего числа -электронов на 100 мкм длины следа от величины предполагаемого заряда фрагмента-спектатора Z rf. длины следа от величины предполагаемого заряда фрагмента-спектатора Z rf.

41 Распределение однозарядных фрагментов ядра 8 B по измеренным значениям p c в каналах диссоциации Be + Н и 2Не+Н) Заштрихованная часть гистограммы в каналах диссоциации Be + Н и 2Не+Н) Заштрихованная часть гистограммы относится к каналу 2Не + Н.

42 Распределение двухзарядных фрагментов ядра 8 B по измеренным значениям p c.

43 Накопление статистики взаимодействий ядер 9 C Горизонтальный профиль вторичного пучка на входе в эмульсионную стопку при настройке на отношение Z pr / A pr = 2/3. По оси абсцисс указаны номера ячеек соответствующие шагу разбиения 1 мм.

44 Распределение одно- и двухзарядных частиц по измеренным значениям pβc. Калибровка измерений многократного рассеяния

45 Распределение по зарядовой топологии взаимодействий наиболее периферического типа («белые» звезды) N ws для первичных треков с зарядами Z pr = 4-7, наблюдавшихся в эмульсии, облученной во вторичном пучке ядер 9C.

46 Перспективы исследований периферической фрагментации тяжелых ядер периферической фрагментации тяжелых ядер Можно надеяться, что решение поставленных в проекте задач по исследованию структуры периферических взаимодействий легких ядер позволит на новом уровне понимания обратиться к этим процессам для тяжелых ядер. Сотрудничество располагает слоями ядерной эмульсии, облученными в пучках релятивистских ядер 28 Si, 32 S, 56 Fe, 197 Au и 207 Pb. В институтах, сотрудничающих с ОИЯИ, систематически ведется накопление и анализ статистики событий периферического типа. Во всех перечисленных ядрах наблюдаются диссоциация вплоть до изотопов H и He в событиях типа «белая» звезда. Такая степень мультифрагментация может вести к важным последствиям при интерпретации данных по физике космических лучей ультравысоких энергий. Астрофизическое значение этих наблюдений состоит в следующем. Микроскопические условия при мультифрагментации ядер близки к условиям при коллапсе в сверхновых. Наши наблюдения позволяют косвенным образом подтвердить возможность коллапса водородно- гелиевой плазмы в ядра Fe и более тяжелые ядра. Отметим фундаментальную и прикладную важность изучения множественной фрагментации ядер Au или Pb в легкие ядра. Легкие ядра, как известно, характеризуются примерно равным соотношением протонов и нейтронов. Поэтому при периферической множественной фрагментации ядер Au могут высвобождаться порядка 20 нейтронов, которые не испытывают кулоновского отталкивания и могут даже формировать короткоживущие состояния (полинейтроны). Их одновременное детектирование и анализ как целостных систем достижим только методами физики высоких энергий.

47 NUCLOTRON: 1A GeV 56 Fe Микрофотография события периферической фрагментации ядра 56 Fe с энергией 1А ГэВ в эмульсии без образования фрагментов ядра мишени. Облучение эмульсии выполнено на нуклотроне ОИЯИ.

48 SPS: 158 A GeV/c Pb

49

50 Распределения по числу δ-электронов на 1 мм длины следов пучковых частиц (23 следа), давших изучаемые взаимодействия типа «белая» звезда (сплошная гистограмма), и релятивистских фрагментов с зарядами Z fr > 2 (9 событий штриховая гистограмма