Поиск сверхтяжелых изотопов водорода 4–7H в реакциях поглощения пионов

Ю. Б. ГУРОВ, В. А. ПЕЧКУРОВ, Б. А. ЧЕРНЫШЕВ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ПОИСК СВЕРХТЯЖЕЛЫХ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА 4–7H В РЕАКЦИЯХ ПОГЛОЩЕНИЯ ПИОНОВ

В настоящей работе представлены экспериментальные результаты, по поиску и спектроскопии изотопов 4–7H, полученных в реакциях поглощения остановившихся p–-мезонов ядрами 9Be и 11B. Эксперимент был выполнен на высокоинтенсивном пучке медленных пионов (LEP) Лос-Аламоской мезонной фабрики (LAMPF) с помощью двухплечевого полупроводникового спектрометра заряженных частиц [4]. Заряженные частицы, образующиеся при поглощении пионов ядрами, регистрировались двумя многослойными полупроводниковыми телескопами, расположенными под углом 180º относительно друг друга. Спектрометр обеспечивал высокое энергетическое разрешение во всем диапазоне измерений энергий регистрируемых частиц, вплоть до кинематических границ реакций. Для однозарядных частиц (p, d, t) значение разрешения DEэкс1 (FWHM) ≈ ≈ 0.5 МэВ, для двухзарядных (3,4He) DEэкс2 (FWHM) ≈ 1.9 МэВ. Уширение приборной линии обусловлено, в основном, возрастанием ионизационных потерь в мишени для двухзарядных ионов гелия.

Поиск сверхтяжелых изотопов водорода проводился в спектрах недостающих масс (MM), полученных в корреляционных измерениях пар однозарядных частиц (p, d, t), а также в корреляционных измерениях изотопов гелия 3,4He на совпадение с однозарядными частицами. Разрешение по MM в этих измерениях составило 1.0 ± 0.1 МэВ и 3.0 ± 0.1 МэВ, соответственно. Ошибка в привязке шкалы MM не превышает 0.1 МэВ и 0.2 МэВ соответственно.

Для выделения резонансных состояний сверхтяжелых изотопов водорода и определения их параметров мы использовали метод наименьших квадратов при описании экспериментальных спектров суммой n-частичных распределений по фазовому объему (учитывались все возможные конечные состояния с n ³ 4), брейт-вигнеровских распределений и вкладов примесей.

К настоящему времени наиболее подробно исследован изотоп 4H. В табл. 1 представлены недавние экспериментальные результаты. Результаты более ранних экспериментов представлены в обзоре [1]. Основными вопросами являются количество низколежащих состояний 4H и положе-

Таблица 1

Энергетические уровни 4H

1) Резонансная энергия относительно распада 4Н на тритон и нейтрон.

2) Наблюдаемая ширина уровня.

3) Приведенная ширина.

ние основного состояния. В экспериментах, выполненных на радиоактивных пучках ионов [5, 6], наблюдалось только одно широ­кое состояние при резонансной энергии Er ~ 3 МэВ. В то же время в реакции 9Be(p–, dt)4H мы наблюдали три узких состояния 4H, при этом основное состояние лежит заметно ниже (см. табл. 1). Как было отмечено в [1], возможное объяснение связано с недостаточным энергетическим разрешением и статистической обеспеченности экспериментальных данных, полученных на радиоактивных пучках.

Выполненный недавно поиск 4H в реакциях поглощения пионов изотопами бора 10,11B [2] подтверждает это предположение. На рис. 1 представлены спектры недостающих масс для трех каналов. Разрешение по MM в корреляционных измерениях 3,4He на совпадение с d, t не позволяет разделить три состояния 4H. Заметим, что параметры пиков, наблюдаемых в двух реакциях 11B (p–, t4He)4H (рис. 1,а) и 10B(p–, d4He)4H (рис. 1,б) близки к результатам из работ [5, 6]. В то же время ширина пика, измеренного в реакции 10B(p–, t3He)4H (рис. 1,в), практически полностью определяется разрешением спектрометра. Сравнение с результатами работы [7] указывает на то, что в этом канале наблюдается только первое возбужденное состояние 4H, что, по-видимому, связано с селективностью этой реакции. Таким образом, результаты работы [2] подтверждают существование узких низколежащих уровней 4H.

В табл. 2 представлены недавние экспериментальные результаты по поиску 5H. Результаты более ранних экспериментов представлены в обзоре [1]. Основным вопросом является положение основного состояния. Как видно из табл. 2, результаты различных работ не согласуются между собой. Заметим, что работы [8–10] выполнены одним авторским коллективом. Проведенный недавно нами поиск 5H в реакциях поглощения пионов изотопами бора 10,11B [2] не обнаружил каких-либо указаний на существование низколежащих состояний 5H. Недостаточно высокое энергетическое разрешение и статистическая обеспеченность результатов не позволили в этих измерениях разделить уровни 5H, однако полученные результаты согласуются с результатами работы [7] о существовании высоковозбужденных уровней, лежащих выше порога распада на свободные нуклоны.

Таблица 2

Энергетические уровни 5H

1) Резонансная энергия относительно распада 5Н на тритон и два нейтрона.

2) Ширина уровня.

В большом числе экспериментов, направленных на исследование легких нейтронно-избыточных ядер на границе нуклонной стабильности, получены доказательства исчезновения традиционных магических чисел и возникновения новых [11]. В частности, из экспериментальных данных по спектроскопии изотопов гелия, лития и бериллия следует, что вместо N = 8 магическим становится число нейтронов N = 6. На этом основании можно ожидать, что среди сверхтяжелых изотопов водорода наиболее связанным окажется 7H.

Впервые указание на обнаружение резонансного состояния 7H было получено в реакции p(8He, pp)7H при энергии пучка 8He, равной 61.3A МэВ. Эксперимент был выполнен в RIKEN (Япония) на вторичном пучке радиоактивных ионов 8He [12]. Авторы получили указания на избыток событий в области эффективных масс вблизи порога распада t + 4n, однако из-за очень большого соотношении фон – сигнал не смогли сделать каких-либо выводов об энергии связи и ширине этого состояния.

В эксперименте, выполненном в LAMPF, поиск изотопа 7H проводился в спектрах недостающих масс для двух каналов реакции 9Be(p-, pp)X и 11B(p-, p3He)X [2]. В первой реакции были получены только указания на возможное существование выоковозбужденнных состояний 7H при Er вблизи 16 и 21 МэВ. Гораздо более перспективной представляется вторая реакция. Как видно на рис. 2, вблизи порога распада на t+4n наблюдается заметный избыток событий, который может быть обусловлен резонансным или связанным состоянием 7H. К сожалению, количественный анализ этой области спектра невозможен вследствие низкой статистики и недостаточного энергетического разрешения.

Недавно в GANIL [3] было получено новое указание на возможное существование 7H. Радиоактивный пучок 8He с энергией 15.4A МэВ проходил через мишень 12С. Спектрометр MAYA идентифицировал образующиеся ионы только по Z, поэтому, регистрируя нуклонно-стабильные изотопы азота 13,14,15N, авторы получили спектр энергий возбуждений (рис. 3) сразу для трех сверхтяжелых изотопов водорода 5,6,7H. Анализируя этот спектр, авторы высказали предположение о наблюдении семи событий образования 7H (заштрихованная гистограмма на рис. 3,с).

По нашему мнению, сравнение результатов работ [2] и [3] демонстрирует, что реакция поглощения остановившихся пионов является более перспективной для поиска образования 7H.

Работа выполнена при поддержке грантов «Ведущая научная школа» (НШ – 3489.2008.2).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. , , и др. // ЭЧАЯ. 2009. Т. 40. С. 1061.

2. , , и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2009. Т. 73. P. 150.

3. Caamano M., Cortina-Gil D., Mittig W. et al. // Phys. Rev. C. 2008. V. 78. P. 044001.

4. Gornov M. G., Gurov Yu. B., Lapushkin S. V. et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2000. V. 446. P. 461.

5. Meister M., Chulkov L. V., Simon H. et al. // Nucl. Phys. A. 2003. V. 723. P. 13.

6. Sidorchuk S. I., Bogdanov V. V. Fomichev A. S. et al. // Phys. Lett. B. 2004. V. 594. P. 54.

7. Gurov Yu. B,. Behr M. N., Aleshkin D. V. et al. // Eur. Phys. J. A. 2005. V. 24. P. 231.

8. Korsheninnikov A. A., Golovkov M. S., Tanihata I. et al. // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 092501.

9. Golovkov M. S., Oganessian Yu. Ts., Bogdanov D. D. et al. // Phys. Lett. B. 2003. V. 566. P. 70.

10. Golovkov M. S., Grigorenko L. V., Fomichev A. S. et al. // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. P. 262501.

11. Jonson B. // Phys. Rep. 2004. V. 389. P. 1.

12. Korsheninnikov A. A., Nikolskii E. Yu., Kuzmin E. A. et al. // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 90. P. 082501.