|
|
|
Текущая деятельность ЛФЭЯ
Начиная с середины первой декады века группа сотрудников ЛФЭЯ сосредоточилась на исследованиях в зарубежных центрах в работах с ионными ловушками
Пеннинга, которых и по сей день нет в России. Ионная ловушка — это высокочувствительный и высокопрецизионный прибор, находящий широкое
многофункциональное применение в фундаментальных и прикладных исследованиях. По этим параметрам им нет равных в масс-спектрометрии
(см. K. Blaum, Yu.N. Novikov and G. Werth. Contemporary Physics (London), 51 (2010) 149.
К настоящему времени ЛФЭЯ активно участвует во всех европейских действующих проектах с ловушками: ISOLTRAP (ISOLDE, CERN), SHIPTRAP (GSI, Darmstadt), JYFLTRAP (Jyvaskyla) и TRIGATRAP (Mainz).
Лаборатория активно сотрудничает с учёными Института Макса Планка по ядерной физике в Гейдельберге в создании и запуске пятитандемной ловушки PENTATRAP.
Основным направлением деятельности ЛФЭЯ является изучение экзотических ядер и экзотических физических явлений с использованием ионных ловушек
(см. Буклет).
Физические задачи, над решением которых трудятся сотрудники ЛФЭЯ
- Определение ландшафта масс нуклидов сверхтяжёлых элементов
Прямые измерения масс нескольких изотопов элементов No и Lr на установке SHIPTRAP положили начало воссозданию массовой поверхности части области сверхтяжёлых
(см. M. Block et al. Nature, 463 (2010) 785; и E. Minaya Ramirez, et al. Science, 337 (2012) 1207.).
SHIPTRAP является единственной в мире системой, на которой можно осуществлять измерения масс трансурановых элементов.
В ней используется криогенная камера торможения пучка, разработанная нашей группой, и новый метод фазового отображения, внедрённый
ранее С.А. Елисеевым для определения резонансной частоты.
В 2019 г. выполнена обработка и анализ данных, приведшие к получению конкретных количественных результатов. Полученные значения масс нуклидов 251-254No, 254-256Lr и 257Rf позволили по известным цепочкам альфа-распадов воспроизвести часть ландшафта сверхтяжёлых нуклидов вплоть до элемента дармштадтия (Z=110). Это привело к возможности определения величин щелей в оболочечной структуре, ответственной за стабилизирующие факторы в нуклидах сверхтяжёлых элементов. Данные о ландшафте массовой поверхности, полученные нами, показывают выделенность чисел нейтронов N=152 и N=162 в нуклидах, которые характеризуют «квазимагичность» с этим числом нейтронов и приводят к выводу о наличии малых островов стабильности, возникающих на подступах к предполагаемому острову устойчивости сверхтяжёлых элементов.
Этот вывод получил прямое экспериментальное подтверждение опытами на SHIPTRAP. Другим интересным результатом было прямое измерение масс ряда изомерных состояний элементов No и Lr.
Выполненные немецкими учёными в коллаборации с ЛФЭЯ (Ю.Н. Новиковым) эти пионерские работы, которым нет аналогов в мировой практике, были удостоены в 2013 г. международной премии им. Г. Флёрова. В планах коллаборации продолжение исследований и в будущем.
- Поиск новых кандидатов на измерение массы нейтрино в процессе захвата электронов ядром
Исследования были начаты на установке ISOLTRAP/ISOLDE в ЦЕРНе (см. S. Eliseev,. Phys. Lett. B 693 (2010) 426). Определён один из возможных кандидатов: 194Hg.
Программа исследований продолжается по проекту IS-473/ISOLDE.
Несмотря на ожидания, другой нуклид, 131Cs, по измеренному значению энергии распада оказывается непригодным для определения массы нейтрино (см. J. Karthein et al. Hyperfine Interaction 240 (2019) 61).
- Поиск кандидатов безнейтринного двойного захвата электронов ядром
По разработанной программе были проведены масштабные систематические измерения разности масс стабильных нуклидов с целью идентификации нуклидных пар с энергетически вырожденными состояниями, которые могут быть связаны безнейтринным переходом (см. S. Eliseev, Yu.Novikov, and K. Blaum. J. Phys. G 39 (2012) 124003). Наличие такового будет свидетельствовать о нарушении закона сохранения лептонного числа и Майорановском типе нейтрино. Наиболее вероятным кандидатом на исследование резонансного эффекта оказался 152Gd. Впервые наблюдена возможность множественного резонанса в 154Dy. Работа выполняется на установке SHIPTRAP при сотрудничестве немецких учёных с ЛФЭЯ и СПбГУ. (S. Eliseev, Yu.N. Novikov, K. Blaum, Ann. der Phys. 525 (2013) pp. 707-719).
- Исследование возможности использования канала захвата орбитального электрона ядром для идентификации реликтовых нейтрино и тяжёлых стерильных нейтрино
Оценки и анализ данных показывают, что нуклид 157Tb, может быть использован для идентификации наличия реликтовых нейтрино в процессе их резонансного захвата (J. Vergados and Yu.N. Novikov. J. Phys. G 41 (2014) 125001). Работой ЛФЭЯ с зарубежными коллегами показано также, что целый набор нуклидов может служить тестом в земных лабораторных условиях для идентификации стерильных нейтрино в диапазоне масс 1-100 кэВ (P. Filianin, K. Blaum et al..J. Phys. G 41 (2014) 095089). Считается, что они являются кандидатами на тёплую тёмную материю во вселенной. Проектом предусмотрено изучение экспериментальных возможностей с использованием ионных ловушек в сочетании с криогенной микрокалориметрией.
- Измерения разностей масс нуклидов для целей космохронологии
Этот проект, выполняемый совместно с сотрудниками института М. Планка по ядерной физике в Хайдельберге и группой SHIPTRAP в ГСИ, был начат с измерений разности масс 187Re-187Os, в котором родительское ядро, 187Re, в силу своего очень долгого времени жизни может быть использовано для определения возраста вселенной. Однако вероятность обратного процесса захвата с термически заселённых возбуждённых состояний 187Os, которая может существенно нарушить баланс природной распространённости Re/Os, зависит от аккуратности и достоверности измерений разности масс этой пары (D. Nesterenko, S. Eliseev et al. Phys. Rev. C 90 (2014) 042501).
Аналогичная картина может наблюдаться и для других пар нуклидов, интересных для астрофизики, массы которых измерены или планируется измерить (P.Filianin et al., Physics Letters B 758 (2016) 407-411, K.Takahashi, K. Blaum and Yu.Novikov, The Astrophysical Journal, 819:118, (2016) March 10).
В этих измерениях будет использован новый метод определения циклотронной частоты вращения ионов в магнитном поле, основанный на фазовом анализе их движения в ловушке. Этот метод, разработанный недавно, позволяет в несколько раз увеличить точность определения масс (S. Eliseev, K. Blaum et al. Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 082501).
Полученное значение разности масс Re-Os, равное 33 эВ по данным наших измерений на SHIPTRAP, было на порядок величины (до 3 эВ) улучшено измерениями на новой установке PENTATRAP в Гейдельберге (материал готовится к публикации в 2020 г.).
Важным фактором этих исследований является хорошее совпадение полученных нами данных о разности масс с данными об энергиях распада 187Re, полученными методом криогенной микрокалориметрии,
открывающим возможность использования последнего для определения массы антинейтрино.
Новые проекты, в разработке которых занята ЛФЭЯ
- Прецизионные измерения наименьших из существующих граничных энергий бета-превращений
Проект нацелен на прецизионные измерения разностей масс основных состояний родительских ядер и возбуждённых состояний дочерних с ожидаемыми наименьшими из известных в литературе
энергиями бета-переходов. В результате анализа выделены нуклиды, которые предложено измерить в первую очередь. Мотивировкой служат возможность использования этих нуклидов
для альтернативного измерения массы нейтрино, а также проверки самой теории бета-распада при сверхнизких энергиях переходов (меньших 1 кэВ). Аналогичные взаимодополняющие проекты
одобрены Программными Комитетами JYFLTRAP (Финляндия) и ISOLDE (ЦЕРН) с выделением пучкового времени в соответствующих центрах.
- Проект ECHo, посвящённый определению массы нейтрино в процессе электронного захвата в ядре 163Ho
Экспериментальная часть проекта ECHo состоит из двух взаимодополняющих подпроектов: ультра-прецизионного измерения разности масс 163Ho-163Dy в ловушке PENTATRAP и
калориметрического измерения атомного спектра разрядки после захвата орбитального электрона ядром.
Для определения массы нейтрино, известной в настоящее время с плохой точностью (в отличие от массы антинейтрино), требуется измерить калориметрический спектр,
включающий все виды разрядки возбуждённых атомных состояний, возникающих после вылета нейтрино. Масса нейтрино может быть извлечена в результате анализа этого спектра,
однако со знанием разности масс холмия и диспрозия, точность которой даст ошибку определения массы нейтрино
(см. L.Gastaldo et al., Eur.Phys.J. Special Topics 226 (2017) 1623).
Эту разницу масс, определённую достоверно и с большой точностью, может обеспечить новая ультрапрецизионная установка PENTATRAP, которая запущена в институте Макса Планка по ядерной физике.
- Ультрапрецизионные измерения масс. Проект PENTATRAP
ЛФЭЯ участвовало в разработке и участвует в реализации проекта пяти-тандемной ловушки PENTATRAP, который осуществляется в институте М. Планка по ядерной физике в Гейдельберге
(J. Repp et al. .App. Phys. B 107 (2012) 983; C. Roux et al. App. Phys. B 107 (2012) 995). Идея создания этой уникальной системы ловушек связана с необходимостью уменьшения систематической ошибки, величина которой ограничивает точность определения масс в ловушках, работающих на пучках ускорителей и реактора. Существенное улучшение систематической точности достигается одновременным измерением циклотронных частот для исследуемого и реперного источника с помещением этой пары последовательно в разных ловушках.
Запущенная в середине 2018 г. система PENTATRAP уже позволила определить массы калибровочных изотопов ксенона с рекордной относительной точностью (2x10-11) (A.Rischka et.al., Phys. Rev. Lett. 124 (2020)). Эта точность на два порядка величины превосходит точности, получаемые на ловушках для радиоактивных ядер, и на много порядков превосходит прецизионность всех других методов масс-спектрометрии.
На пороге 2019-2020 гг. было экспериментально обнаружено новое явление - долгоживущей высоко возбуждённой, высокоспиновой атомной изомерии.
При измерении массы высокозарядного иона 187Re29+ было наблюдено состояние с энергией 202.2(17) эВ, живущее более одной недели. Аналогичный метастабильный уровень с энергией 207(3) эВ наблюдался
и в изоэлектронном состоянии 187Os30+ (R.Schuessler et al., Nature 581 (2020) May 7). Этот тип атомной (ионной) изомерии напоминает высокоспиновую изомерию в ядрах. Его изучение только начинается и может открыть ворота в новую физику. Кроме того, обнаруженный многозарядный изомер может быть использован как точнейший эталон частоты.
- Изучениe свойств изомерного состояния 229Thm как возможного ядерного эталона частоты.
Существование изомера 229Th с энергией 8.3 эВ открывает интригующие возможности развития технологии и фундаментальной науки.
Малая энергия перехода дает надежду на использование лазерных методов для заселения ядерного перехода и открывает путь для разработки более точного и,
возможно, более компактного (твердотельного) стандарта частоты.
Подготовительная работа
была проведена в лаборатории
IGISOL
(JYFL) с участием сотрудников
ЛФЭЯ.
В настоящее время в ПИЯФ
в сотрудничестве с ВНИИМ
рассматривается возможность
создания стенда для изучения мод распада и поиска возможности заселения изомерного состояния тория-229.
- Проект ПИТРАП ионной ловушки для исследований нуклидов, нарабатываемых на реакторе ПИК.
Имея большой опыт работы с ионными ловушками за рубежом, ЛФЭЯ планирует создание первой в России ловушки типа Пеннинга для измерений масс.
(Ю.И. Гусев и др. Атомная Энергия 118 (2015) 334, Ю.Н. Новиков и др., Отчёт ПИЯФ Ф-310 (2016) ).
По замыслу проекта ловушка может быть использована как в режиме “on-line” на пучке продуктов реакции деления нейтронами от реактора,
так и в режиме “off-line” с использованием стабильных или долгоживущих нуклидов, наработанных в реакторе. Разработанная в проекте ионно-оптическая система
проводки и приёма ионного пучка в ловушке универсальна для установки двух ловушек (подготовительной и измерительной) как для системы доставки продуктов
с помощью газовой струи (Д.Симоновски и др. Атомная Энергия, 125 (2018) 338), , так и на выходе сепарированного пучка из масс-сепаратора.
Установленная в экспериментальном зале реактора ПИК система ПИТРАП будет сочетать преимущества использования высокопоточных нейтронов с высокой
чувствительностью (на уровне единичных частиц) самой ловушки. Ожидаемые рекордные величины выходов экзотических нуклидов позволят достичь нуклидную
«дорожку» астрофизического процесса быстрого захвата нейтронов, происходящего при вспышках Сверхновых звёзд (r-процесса) (Yu. Novikov et al., Euroasian J. Phys. 3(1) (2019) 63-70).
Определение истинного пути этого процесса в земной лаборатории может быть осуществлено только в результате измерения масс (полных энергий связи)
нуклидов в предполагаемой области r-процесса, что и будет осуществлено ловушкой Пеннинга.
В проекте используются наработки системы TRIGATRAP с ионной ловушкой, установленной на реакторе TRIGA в Майнце (Германия), а также системы SHIPTRAP
с ловушкой, расположенной после масс-сепаратора тяжелых ионов SHIP в Дармштадте (Германия). С этими группами ЛФЭЯ поддерживает плодотворное многолетнее сотрудничество.
|
|
|