Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 5, стр. 690-693

Возможность исследования кластерной структуры возбужденных состояний 6Li в реакции неупругого рассеяния α-частиц

А. А. Каспаров 1*, Е. С. Конобеевский 1, С. В. Зуев 1, А. А. Афонин 1, М. В. Мордовской 1, В. В. Мицук 1, В. П. Заварзина 1, А. С. Курлович 1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук
Москва, Россия

* E-mail: kasparov200191@gmail.com

Поступила в редакцию 20.11.2020
После доработки 28.12.2020
Принята к публикации 27.01.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Для определения вкладов различных конфигураций в структуру возбужденных состояний 6Li предложено исследование реакции неупругого рассеяния альфа-частиц на ядрах 6Li с регистрацией в совпадении рассеянной альфа-частицы и различных частиц от развала возбужденных состояний. Результаты проведенного моделирования показывают, что существуют кинематические области развальных частиц, соответствующие определенным каналам развала (кластерным конфигурациям) возбужденных состояний 6Li.

ВВЕДЕНИЕ

Исследование кластерной структуры легких ядер является важной проблемой ядерной физики, так как способствует более глубокому пониманию структуры ядерной материи и механизма ядерных реакций на этих ядрах. Отдельный интерес представляет исследование кластерной структуры возбужденных состояний ядер и вероятностей их развала по определенным каналам. В статье рассматривается возможность исследования кластерной структуры низколежащих состояний ядра 6Li, являющегося одним из самых легких ядер, имеющим ярко выраженную кластерную структуру. Этому ядру посвящено большое число теоретических и экспериментальных работ [16]. Вариантами кластерной структуры возбужденных состояний ядра 6Li являются: α + p + n; α + d; t + 3He; 5Li + n; 5He + p.

Для исследования кластерной структуры возбужденных состояний 6Li предлагается реакция неупругого рассеяния альфа-частиц на ядрах 6Li. Из-за малых порогов развала через каналы α + p + n (Eпор = 3.6989 МэВ), α + d (Eпор = 1.4743 МэВ), 5Li + n (Eпор = 5.39 МэВ) и 5He + p (Eпор = 4.497 МэВ) многие низколежащие состояния 6Li могут разваливаться с испусканием нейтронов, протонов и альфа-частиц. Основная идея исследования состоит в регистрации неупруго рассеянных альфа-частиц на ядрах 6Li в совпадении с частицами от развала возбужденного состояния, в результате чего выделяются кинематические области вторичных (развальных) частиц, соответствующие развалу по определенному каналу.

Исследуемые реакции являются двухстадийными, с образованием и последующим развалом возбужденного состояния 6Li по различным каналам

(1)
$\alpha + {}^{6}{\text{Li}} \to \alpha {\kern 1pt} '\,\, + {}^{6}{\text{Li}}* \to \alpha {\kern 1pt} '\,\, + \alpha + p + n,$
(2)
$\begin{gathered} \alpha + {}^{6}{\text{Li}} \to \alpha {\kern 1pt} '\,\, + {}^{6}{\text{Li*}} \to \alpha {\kern 1pt} '\,\, + {}^{5}{\text{Li }} + {\text{ }}n \to \\ \to \alpha {\kern 1pt} '\,\, + \alpha + p + n, \\ \end{gathered} $
(3)
$\begin{gathered} \alpha + {}^{6}{\text{Li}} \to \alpha {\kern 1pt} '\,\, + {}^{6}{\text{Li}}* \to \alpha {\kern 1pt} '\,\, + {}^{5}{\text{He }} + {\text{ }}p \to \\ \to \alpha {\kern 1pt} '\,\, + \alpha + n + p, \\ \end{gathered} $
(4)
$\alpha + {}^{6}{\text{Li}} \to \alpha {\kern 1pt} '\,\, + {}^{6}{\text{Li}}* \to \alpha {\kern 1pt} '\,\, + \alpha + d.$

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВОЗМОЖНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Моделирование реакций (1)–(4) проводилось с помощью программ кинематического моделирования [7], в которых из множества событий с произвольными или частично-заданными параметрами (энергия пучка, углы вылета и энергии вторичных частиц), отбираются только те события, которые удовлетворяют законам сохранения энергии и импульса с заданной заранее точностью.

Моделирование проводилось в два этапа. На первом этапе рассматривалась двухчастичная реакция α + 6Li с возбуждением определенного уровня 6Li. Энергия падающих альфа-частиц в расчетах бралась Eα = 30 ± 0.1 МэВ. Рассмотрим подробнее моделирование для возбужденного состояния 6Li*(5.65 МэВ). Выбор угла регистрации рассеянной альфа-частицы Θα' = –60° ± 1° фиксирует ее энергию Eα' = 9.25 ± 1.75 МэВ (положительные и отрицательные углы соответствует левой и правой полуплоскостям относительно оси пучка). В табл. 1 показаны энергии альфа-частицы, рассеянной под углом Θα' = –60° ± 1°, для различных уровней ядра 6Li.

Таблица 1.  

Энергия альфа-частиц, рассеянных под углом Θα' = –60° ± 1°, для различных возбужденных уровней ядра 6Li

Ex (МэВ) Γ (МэВ) Eα' (МэВ)
g.s.   14.25 ± 0.45
2.186 0.024 12.4 ± 0.5
3.5629 ~0 11.15 ± 0.45
4.312 1.3 10.55 ± 1.55
5.366 0.541 9.55 ± 0.85
5.65 1.5 9.25 ± 1.75

На втором этапе моделируются реакций с тремя или четырьмя частицами в конечном состоянии. При этом угол вылета и энергия рассеянной альфа-частицы выбираются в соответствии с кинематикой двухчастичной реакции, рассчитанной на первом этапе.

В результате моделирования были получены различные двумерные диаграммы для развальных частиц. На рис. 1а представлено двумерное распределение Eα–Θα вторичных альфа-частиц. Для каналов развала 5He + p и 5Li + n вторичные альфа-частицы образуются после развала нестабильных ядер 5He и 5Li.

Рис. 1.

а – Двумерная диаграмма Eα–Θα развальных альфа-частиц для уровня 6Li*(5.65 МэВ); б – энергетические спектры развальных альфа-частиц для уровня 6Li*(5.65 МэВ). Параметры моделирования: Eα = = 30 ± 0.1 МэВ, Θα' = –60° ± 1°. Нумерация энергетических спектров совпадает с номерами исследуемых реакций (1)–(4).

Из рис. 1а видно, что кинематические области, соответствующие каналу реакции α + d отличаются от областей, соответствующих каналам α + p + n, 5Li + n и 5He + p. Так, регистрация вторичных альфа-частиц, например, под углом Θα = 48° ± 2°, приводит к энергетическим спектрам вторичных альфа-частиц, показанным на рис. 1б. Таким образом, при данных кинематических условиях можно однозначно наблюдать развал возбужденного состояния по каналу α + d. Однако кинематические области, соответствующие развалу возбужденного состояния 6Li через каналы α + p + n, 5Li + n и 5He + p, практически полностью перекрываются, и их разделение не представляется возможным.

На рис. 2а показана двумерная диаграмма развальных нейтронов En–Θn. Видно, что область, соответствующая трехкластерной конфигурации α + p + n, может наблюдаться в эксперименте при регистрации вторичных нейтронов под углами Θn > 90° или Θn < –25°. Однако при других углах нейтронов, области, соответствующие двухкластерным конфигурациям 5Li + n и 5He + p, перекрываются и накладываются на область, соответствующую трехкластерной конфигурации α + p + n.

Рис. 2.

а – Двумерная диаграмма En – Θn развальных нейтронов для уровня 6Li*(5.65 МэВ). Параметры моделирования: Eα = 30 ± 0.1 МэВ, Θα' = –60° ± 1°; б – двумерная диаграмма Ep–Θp развальных протонов для уровня 6Li*(5.65 МэВ). Параметры моделирования: Eα = 30 ± 0.1 МэВ, Θα' = –60° ± 1°, Θn = 80° ± 2°. Нумерация кинематических областей совпадает с номерами исследуемых реакций (1)–(4).

Тем не менее, кинематическое моделирование показало возможность отделить процессы развала по каналам 5Li + n и 5He + p. Фиксируя угол вылета вторичного нейтрона, например Θn = 80° ± 2°, двумерное распределение Ep–Θp принимает вид, показанный на рис. 2б. Процессы развала по каналам α + p + n и 5Li + n разделяются, и на двумерной диаграмме события, отвечающие развалу возбужденного ядра 6Li по каналу 5Li + n группируются на границе локуса.

На рис. 3а показана двумерная диаграмма развальных протонов Ep–Θp. Фиксация угла вылета вторичного протона, например Θp = 110° ± 2°, приводит к двумерному распределению развальных нейтронов En–Θn, показанному на рис. 3б. Процессы развала по каналам α + p + n и 5He + p также разделяются, и на двумерной диаграмме En–Θn события, отвечающие развалу возбужденного ядра 6Li по каналу 5He + p также группируются на границе соответствующего локуса.

Рис. 3.

а – Двумерная диаграмма Ep–Θp развальных протонов для уровня 6Li*(5.65 МэВ). Параметры моделирования: Eα = 30 ± 0.1 МэВ, Θα' = –60° ± 1°; б – двумерная диаграмма En – Θn развальных нейтронов для уровня 6Li*(5.65 МэВ). Параметры моделирования: Eα = 30 ± 0.1 МэВ, Θα' = –60° ± 1°, Θp = 110° ± 2°. Нумерация кинематических областей совпадает с номерами исследуемых реакций (1)–(4).

Таблица 2.

   Возможные исследуемые кластерные конфигурации возбужденного состояния 6Li*(5.65 МэВ)

Регистрируемые частицы Кластерные конфигурации
Θα' = –60° ± 1°; Θα > 50° α + d
Θα' = –60° ± 1°; Θn > 90° или Θα' = –60° ± 1°; Θn < –25° α + p + n
Θα' = –60° ± 1°; Θp = 110° ± 2°; Θn = 0°–55° α + p + n; 5He + p
Θα' = –60° ± 1°; Θn = 80° ± 2°; Θp = –25°–75° α + p + n; 5Li + n

Таким образом, для наблюдения двухкластерных конфигураций 5Li + n и 5He + p, в качестве выходных данных для сравнения с экспериментом могут быть рассмотрены двумерные диаграммы, показанные на рис. 2б и 3б.

Кинематическое моделирование представленных реакций было проведено для различных возбужденных уровней ядра 6Li и каналов развала. Развал через канал t + 3He (Eпор = 15.7947 МэВ) не представляется возможным наблюдать в эксперименте при энергии альфа-частиц Eα ≤ 30 МэВ из-за высокого порога развала.

Эксперимент по неупругому рассеянию альфа-частиц ядрах 6Li может быть проведен на циклотроне У-120 НИИЯФ МГУ при энергии падающих альфа-частиц 30 МэВ. В эксперименте нужно регистрировать в совпадении как рассеянную альфа-частицу, так и одну (α или n) или две (p и n) вторичные частицы от развала возбужденного состояния 6Li. Для примера, в таблице представлены возможные исследуемые кластерные конфигурации возбужденного состояния 6Li*(5.65 МэВ) и параметры регистрируемых частиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для исследования кластерной структуры возбужденных состояний 6Li предлагается реакция неупругого рассеяния альфа-частиц на ядрах 6Li. Проведено кинематическое моделирование реакции неупругого рассеяния альфа-частиц на ядрах 6Li при энергии 30 МэВ для различных возбужденных состояний 6Li. Наглядно показано, что существуют кинематические области развальных частиц, соответствующие определенным каналам развала возбужденных состояний 6Li.

Список литературы

  1. Tilley D.R., Cheves C.M., Godwin J.L. et al. // Nucl. Phys. A. 2002. V. 708. P. 3.

  2. Kukulin V.I., Pomerantsev V.N., Razikov Kh.D. et al. // Nucl. Phys. A. 1995. V. 585. No. 1. P. 151.

  3. Hiyama E., Yamada T. // Prog. Part. Nucl. Phys. 2009. V. 63. No. 2. P. 339.

  4. Буртебаев Н., Артемов С.В., Дуйсебаев Б.А. и др. // Яд. физ. 2010. Т. 73. № 5. С. 776; Burtebaev N., Artemov S.V., Duisebayev B.A. et al. // Phys. Atom. Nucl. 2010. V. 73. No. 5. P. 746.

  5. Povoroznyk O.M., Gorpinich O.K., Jachmenjov O.O. et al. // J. Phys. Soc. Japan. 2011. V. 80. Art. No. 094204.

  6. Науменко М.А., Самарин В.В. // Яд. физ. 2017. Т. 80. № 5. С. 473; Samarin V.V., Naumenko M.A. // Phys. Atom. Nucl. 2017. V. 80. No. 5. P. 877.

  7. Зуев С.В., Каспаров А.А., Конобеевский Е.С // Изв. РАН. Сер. физ. 2017. Т. 81. № 6. С. 753; Zuyev S.V., Kasparov A.A., Konobeevski E.S. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2017. V. 81. No. 6. P. 679.

Дополнительные материалы отсутствуют.