Реакция ядерной фрагментации была открыта еще до войны в опытах с космическими лучами, которые проводились в Советском Союзе (И.И.Гуревич и др.) и в Германии (Э.Шоппер). Она казалась удивительной: при соударении частиц очень высокой (релятивистской) энергии с мишенью (ядра Ag и Br в фотоэмульсии) вылетали относительно медленные легкие ядра. В 50-х годах ядерная фрагментация была обнаружена в экспериментах на ускорителях [Ложкин О.В., Перфилов Н.А., 1956], дававших пучки протонов с энергией в несколько сотен МэВ.
С тех пор это явление неспешно исследовалось в течение трех десятков лет, однако механизм процесса оставался непонятным. Ситуация кардинально изменилась в начале 80-х годов, когда опять-таки с помощью техники фотоэмульсий было обнаружено [Jacobson B. et al.,1982]множественное испускание ядрами фрагментов промежуточной массы. Последние облучались пучками ядер 12С, ускоренных до 1032 МэВ на синхроциклотроне Международного института ЦЕРН в Женеве. После этого появилась серия работ, где развивалась идея связи процесса множественной эмиссии фрагментов с фазовым переходом жидкость-газ в ядерном веществе, и последовал настоящий бум в данной области исследований как среди экспериментаторов, так и теоретиков [Bondorf J.J. et al., 1995]. В различных лабораториях мира было создано около дюжины сложных, многодетекторных установок, специально предназначенных для изучения этого процесса. Многотельный характер распада горячих ядер обусловил необходимость работать, как говорят, в  -геометрии, когда одновременно регистрируются частицы, вылетающие из ядра в любом направлении. Современные ускорители дают практически неограниченные возможности для получения пучков заряженных частиц с различными массами и энергиями - протонов, ядер гелия, тяжелых ионов. Здесь мы подходим к вопросу о том, какие ускоренные пучки наиболее адекватны задаче изучения термодинамики горячих ядер.
В последнее время для этой цели широко использовались реакции, вызванные пучками тяжелых ионов (от углерода до золота) с энергиями в десятки и сотни МэВ на нуклон [Schuttauf A. et al., 1996; Reisdorf W. et al., 1997]. Поэтому именно на ускорителях тяжелых ионов и развернулись вначале эти работы. Однако нагрев ядра тяжелыми ионами сопровождается значительным сжатием ядра, его сильным вращением и деформацией.В результате только часть энергии, поглощаемой ядром, превращается в тепловую. Возбуждение коллективных степеней свободы сказывается на распаде горячего ядра и затрудняет получение информации о его термодинамических характеристиках.
Картина становится значительно проще, если в качестве бомбардирующей частицы использовать легкое ядро (протон, гелий), разогнанное до высокой энергии [Карнаухов В.А. и др., 1999.] (в несколько тысяч МэВ). Процесс нагрева ядра-мишени можно проиллюстрировать простой механической моделью, показанной на рис.3, который заимствован нами из статьи Н.Бора [Bohr N., 1937]. Ядро представлено в виде углубления, наполненного шарами-нуклонами. Если снаружи в эту тарелку направить еще один шар, он испытает серию упругих соударений, теряя энергию. В результате возникает так называемый внутриядерный каскад последовательных соударений, в который будет вовлечено много шаров. Часть из них приобретет достаточно большую энергию, чтобы вылететь наружу, но часть не сможет преодолеть подъем на выходе из углубления. Таким образом, какая-то доля начальной энергии задержится в ядре и будет равномерно распределена по всем оставшимся в нем нуклонам. Использование релятивистских легких частиц - уникальный способ получения горячих ядер, энергия возбуждения которых практически целиком тепловая. Это обеспечивает наиболее чистые условия для изучения ядерной термодинамики при высоких температурах. Именно такой способ нагрева был выбран в Дубне, чтобы изучить "тепловую мультифрагментацию", когда сжатием и вращением возбужденного ядра можно пренебречь.
 | | Рис.3. Механическая модель Н.Бора, демонстрирующая, как ускоренная частица взаимодействует с нуклонами ядра, вызывая его нагрев. |
Рис.4 иллюстрирует картину взаимодействия быстрого протона с тяжелым ядром, в результате чего вперед вылетают "каскадные" частицы, а разогретое ядро-остаток разваливается, испуская в разные стороны нуклоны и фрагменты.
 | | Рис.4. Картина соударения быстрого протона с ядром, в результате чего вперед вылетают "каскадные" частицы, а разогретый остаток разваливается с испусканием нуклонов и фрагментов. |
Для изучения данных процессов была создана многодетекторная установка "Фаза", имеющая -геометрию. Установка размещается на пучке синхрофазотрона Объединенного института ядерных исследований - знаменитого ускорителя, построенного более сорока лет назад под руководством академика В.И.Векслера. После существенных усовершенствований синхрофазотрон и по сей день обеспечивает возможность проведения конкурентоспособных исследований в области релятивистской ядерной физики, давая пучки протонов с энергией до 8 ГэВ и более тяжелых частиц с энергией до 4 ГэВ на нуклон. Сейчас в стадии наладки (в том же здании) - новый сверхпроводящий ускоритель "Нуклотрон", характеристики пучков которого значительно расширят возможности для экспериментальных исследований, проводимых в Лаборатории высоких энергий ОИЯИ под научным руководством академика А.М.Балдина.
Вакуумная камера установки "Фаза" (рис.5) имеет сферическую геометрию. В центре находится мишень из золота толщиной в 0.5 мкм. Золото - популярный материал для мишени благодаря его химической чистоте и возможности изготовить из него очень тонкую фольгу. А столь тонкая мишень необходима, чтобы не искажать энергетический спектр фрагментов, имеющих небольшой пробег в веществе.
| | Рис.5. Установка "Фаза" на пучке синхрофазотрона в Дубне. Фото Ю.А.Туманова. |
Вокруг мишени расположены детекторы двух типов:
- пять телескопов-спектрометров, в которых с помощью ионизационной камеры определяется  E/x - удельная ионизация частицы3, вылетающей из мишени. За камерой располагается полупроводниковый детектор, измеряющий полную энергию частицы E. Зная E/x и E, можно однозначно найти заряд частицы Z (т.е. тип регистрируемого фрагмента, его порядковый номер).
- 64 сцинтилляционных счетчика с пленками CsI(Tl) (толщиной 50 мкм) составляют детектор множественности ФПМ, который одновременно определяет и число, и пространственное распределение фрагментов. "Слово", описывающее событие, состоит из 138 закодированных амплитуд сигналов от сцинтилляционных счетчиков и телескопов, т.е. по существу измеряется 138-мерный спектр. Вся информация записывается в память ЭВМ для последующего анализа и обработки.
Исследования на установке "Фаза" проводятся международной коллаборацией, в которую кроме сотрудников ОИЯИ входят ученые из:
- РНЦ "Курчатовский институт"; Института ядерных исследований(Москва);
- Института ядерной физики Технического университета (Дармштадт, Германия);
- Института ядерной физики им.Х.Ниеводничанского (Краков, Польша);
- Университета штата Айова (Айова, США).
Первые же эксперименты показали, что при соударении с золотой мишенью протонов, обладающих энергией более 2 ГэВ, наблюдается множественная эмиссия фрагментов.
3 Удельная ионизация - это величина потери энергии заряженной частицы на единице пути в результате взаимодействия с электронами среды. Она пропорциональна квадрату заряда частицы и обратно пропорциональна квадрату ее скорости.
Назад | Вперед
Написать комментарий
|
