Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 2, с. 73-77 © 2015г. 25 января
Обнаружение новых состояний изотопа гелия 7Не
Ю. Б. Гуров, Л. Ю. Короткова, С. В. Лапушкин, Р. В. Притула, В. Г. Сандуковский, М. В. Телькушев,
Б. А. Чернышев1)
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Москва, Россия
Поступила в редакцию 13 октября 2014 г. После переработки 28 ноября 2014 г.
Образование тяжелого изотопа 7Не исследовалось в реакциях поглощения остановившихся 7Г~-мезонов ПВ(7Г~, р1)7Не, ПВ(7Г~, ск1)7Не и 10В(7Г~, рс1)7Не. Во всех трех реакциях не было получено указаний на существование низколежащего уровня с Ех ~ 1 МэВ. В области промежуточных энергий возбуждения доказано существование трех узких состояний с энергиями возбуждения Ех = 3.1(1), 4.90(15) и 6.65(15) МэВ. Обнаружены высоковозбужденные состояния с Ех = 16.9(5) МэВ, Г = 1.0(3) МэВ, Ех = 19.8(3) МэВ, Г = 1.5(3) МэВ и Ех = 24.8(4) МэВ, Г = 4.6(7) МэВ.
БО!: 10.7868/80370274X15020010
1. Введение. Исследование нейтронно-избыточных изотопов гелия является областью повышенной экспериментальной активности [1]. Определение характеристик этих экзотических состояний обеспечивает информацию о свойствах ядерной материи при аномально высоком отношении N^ и дает возможность тестировать ядерные модели и нуклон-нуклонные потенциалы.
Основное состояние 7Не (^Р" = 3/2") является несвязанным относительно распада на 6Не и нейтрон и согласно компиляции [2] имеет следующие резонансные параметры: Ег = 0.410(8) МэВ, Г = 0.15(2) МэВ. Заметим, что результаты последних экспериментальных работ [3-5] указывают на меньшую величину резонансной энергии, Ег = = (0.35-0.40 МэВ).
Существование возбужденных состояний в 7Не впервые было обнаружено в работе [6]. В реакции р(8Не, с1)7Не при энергии пучка 50 МэВ наблюдался уровень с энергией возбуждения Ех = 2.9(3) МэВ и шириной Г = 2.2(3) МэВ, распадающийся на 4Не и три нейтрона. Авторы интерпретировали наблюдаемый уровень как состояние с = Ъ/2~, представляющее собой систему из 6Не, находящегося в первом возбужденном состоянии (^ = 2+), и нейтрона из 1р1/2-оболочки. В реакции 7Ве(15М, 17Р)7Не при энергиях пучка 240 и 318.5 МэВ были найдены два состояния с Ех = 2.95(10) МэВ, Г = 1.9(3) МэВ и Ех = 5.8(3) МэВ, Г = 4(1) МэВ [7]. В работах [8, 9] поиск 7Не проводился в двухчастичных каналах реакции с регистрацией продуктов распада. В
^е-таП: chernyshev@mephi.ru
реакции с1(6Не, р)7Не при энергии пучка 69 МэВ преимущественно заселяются основное и 1/2~-состояние с Ех « 2.6 МэВ, Г « 2.0 МэВ, распадающиеся на 6Не + п [8]. В реакции с1(81л, 3Не)7Не при энергии пучка 76 МэВ наблюдаются основное состояние и 5/2~-состояние с Ех « 3.0 МэВ, которое распадается на 4Не + Зп [9].
Открытым является вопрос о существовании уровня 7Не при Ех « 1 МэВ. В реакции выбивания 12С(8Не, п6Не)Х при энергии 227А МэВ было обнаружено, что пик вблизи нуля в спектре относительной энергии п + 6Не не удается описать с помощью одного основного состояния 7Не [10]. Авторы интерпретировали этот результат как проявление первого возбужденного состояния 7Не с Ех = 0.6(1) МэВ, Г = 0.75(8) МэВ. Однако в выполненных авторами работы [10] аналогичных измерениях на водородной мишени реакции 1Н(8Не, п6Не)Х низколежащий возбужденный уровень 7Не обнаружен не был [3].
Указания на существование низколежащего состояния 7Не были получены также в реакциях р(8Не,с!)Х при Е = 15.7 МэВ (Ех = 0.9(5) МэВ, Г = 1.0(9) МэВ) [И] и 7Ы(с1, 2Не)Х при Е = 171 МэВ (Ех « 1.45МэВ, Г « 2МэВ) [12]. Однако результаты этих работ допускают неоднозначную интерпретацию [1].
В области высоких энергий возбуждений широкие (Г ~ 10 МэВ) резонансные состояния 7Не были обнаружены только вблизи Ех ~ 20 МэВ [13-15].
Таким образом, экспериментальная информация по структуре уровней 7 Не является разрозненной и достаточно противоречивой. Для разрешения этой ситуации мы использовали реакцию поглощения
остановившихся пионов ядрами, которая является эффективным инструментом исследования легких нейтронно-избыточных ядерных состояний [16-18]. В настоящей работе спектр возбуждения 7Не изучается в реакциях на изотопах бора: 10В(7Г_, pd)X, пВ(тг-, pt)X и пВ(тг-, dd)X.
2. Эксперимент. Эксперимент был выполнен на канале пионов низкой энергии (LEP) мезонной фабрики LAMPF с помощью двухплечевого полупроводникового спектрометра [19]. Пучок отрицательных пионов с энергией 30 МэВ проходил через берилли-евый замедлитель и останавливался в тонкой мишени. Скорость остановок пионов в мишени составила • 104с-1. Мишени из 10В и ПВ представляли собой диски диаметром 26 мм и толщиной ^ 25 мг/см2. Отметим, что в этом же экспериментальном сеансе были выполнены измерения на мишенях 9Be, 12С и 14С.
Заряженные частицы (р, d, t, 3'4Не), образующиеся при поглощении остановившихся пионов ядрами мишени, регистрировались двумя полупроводниковыми телескопами, расположенными под углом 180° друг к другу. Каждый телескоп состоял из двух 81(Аи)-ппд с толщинами 100 и 450 мкм и 14 81(Ы)-ппд с толщинами ^ 3 мм. Пороги идентификации составляли 3.5 МэВ для протонов, 4 МэВ для дейтронов, 4.5 МэВ для тритонов.
Суммарная толщина чувствительных слоев каждого телескопа составляла = 43 мм. Эта величина обеспечивала остановку всех образующихся заряженных частиц внутри чувствительного объема телескопов. В результате высокое энергетическое разрешение достигалось во всем диапазоне измерений энергий регистрируемых частиц.
Величина энергетического разрешения А Е определялась по ширине пиков, измеренных в двухчастичных каналах реакции поглощения, 9Ве(7г~, р)8Не, 12С(^-, d)10Be и 12С(тг~, t)9Be. Для однозарядных частиц АЕ ~ 0.450 МэВ [16].
Поиск образования 7Не проводился в спектрах недостающих масс (ММ), полученных в корреляционных измерениях реакций 11В(7Г~, pt)X, 11В(7г~, dd)X и 10В(7Г-, pd)X. Величина разрешения по ММ (АММ) определяется тремя факторами: неопределенностями в измерении энергии каждой частицы и неопределенностями в угле разлета частиц, обусловленными конечным угловым захватом телескопов. Анализ результатов измерений трехчастичных каналов с образованием нуклонно-стабильных ядер в конечном состоянии показал, что при регистрации пар однозарядных частиц А ММ слабо зависит от конкретного канала реакции и
составляет рз 1 МэВ [16]. Ошибка в абсолютной привязке шкалы не превышает 0.1 МэВ [16].
Количественное определение примесей в мишенях выполнялось с помощью выделения пиков, соответствующих трехчастичным реакциям на ядрах примеси. Для мишени ПВ основной примесью является 12С (8%), для мишени 10В-ПВ (15%). Вклад неконтролируемых примесей был меньше 1 %.
Более подробно спектрометр и экспериментальная методика описаны в работах [16,19].
3. Результаты. На рис. 1 представлены спектры ММ, измеренные в реакциях 11В(7г~, р!;)Х,
0 10 20 30 40
MM (MeV)
Рис.1. Спектры ММ для реакций 11В(7г , р!)Х (а), ПВ(7Г~, сМ)Х (Ь) и 10В(тг-, рс!)Х (с). Точки с ошибками - эксперимент. Сплошные тонкие линии - распределения по Брейт-Вигнеру; 1 - полное описание; 2 -суммарное распределение по фазовому объему; 3 - фон случайных совпадений
11В(7г~, сИ)Х и 10В(7г-, рс1)Х, после вычитания вклада от основных примесей. За начало отсчета принята сумма масс основного состояния 6Не и нейтрона. В спектрах отчетливо проявляются структуры, обусловленные трехчастичными каналами с образованием основного и возбужденных состояний 7Не. Для выделения этих состояний и определения их пара-
метров был использован метод наименьших квадратов при описании экспериментальных спектров суммой п-частичных распределений по фазовому объему (п > 4) и брейт-вигнеровских распределений.
Описание многочастичного фона с помощью суперпозиции распределений по фазовым объемам вызвано отсутствием надежных теоретических моделей, описывающих исследуемые реакции. Обоснованность такого подхода доказана результатами определения структуры уровней сверхтяжелых изотопов 4-6Н [16] и 7-121л [17,18]. На рис.2 в качестве ил-
80
0 20 40 60 80
Ей1 (МеУ)
Рис. 2. Двухмерное распределение (диаграмма Далица) кинетических энергий дейтронов, образующихся в реакции пВ(тг", (М)Х
люстрации представлено двухмерное распределение (диаграмма Далица) кинетических энергий дейтронов, образующихся в реакции 11В(7Г~, с1с1)Х. Заметной структурной особенностью здесь является усиление вблизи кинематической границы реакции, соответствующей трехчастичному каналу реакции с образованием 7Не в основном состоянии. Проявлений каких-либо особенностей, обусловленных многочастичными процессами, заметно отличающихся от распределений по фазовому объему, на рис. 2 не обнаружено.
Канал реакции 11В(7г~, р^Х имеет самую высокую статистическую обеспеченность. С целью подавления фона от многочастичных каналов реакции представленный на рис. 1а спектр был получен для энергий тритона, превышающих 26МэВ. В области низких энергий возбуждения (Ех < 7МэВ) в
спектре выделяются три узких возбужденных состояния с энергиями возбуждения Ех = 3.3(2), 5.0(2) и 7.0(3) МэВ. Энергетическое разрешение измерений позволяет определить только верхнюю границу для ширин найденных уровней, которая составляет 0.5 МэВ. В области высоких энергий возбуждения отчетливо проявляются два состояния со следующими параметрами: (Ех, Г) = (19.3(4) МэВ, 1.6(5) МэВ) и (25.4(8) МэВ, 5.2(1.2) МэВ).
В реакции 11В(7Г~, с1с1)Х для описания структуры в области ММ « 4 МэВ (рис. 1Ь) использовались две гипотезы: одного и двух состояний 7Не. В первом случае значения резонансных параметров Ех ~ « 3.1 МэВ, Г « 2.0МэВ. Во втором случае (ЕХ,Т) = = (2.9(2) МэВ, <0.5 МэВ) и (4.6(3) МэВ, <0.5 МэВ). Критерий х2 не позволяет отбросить ни одну из гипотез. Выбор предположения о двух состояниях был обусловлен тем, что параметры двух возбужденных уровней, найденные в реакциях 11В(7г~, р^7Не и 11В(7г~, с1с1)7Не, в пределах погрешности измерений совпадают. Параметры третьего возбужденного уровня, наблюдаемого в реакции 11В(7г~, сМ)7Не, (Ех, Г) = (6.6(2) МэВ, <0.5 МэВ), также совпадают с результатами измерений реакции 11В(7г~, р^7Не.
Для описания спектра в области высоких энергий возбуждений были включены три состояния с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.