Торилов Сергей Юрьевич, доцент, кандидат физ.-мат.наук

Исследование структуры ядер с помощью ядерных реакций

Определяя планы развития науки в ближайшем будущем, исследовательский комитет при национальной академии наук США в 2002 году выделил 11 наиболее интригующих вопросов современной физики. Оказалось, что больше половины из них так или иначе связаны с исследованиями в области ядерной физики. Причем, наряду с такими глобальными вопросами, как образование вещества в результате Большого Взрыва и вопросов, связанных с существованием Темной Энергии и Темной Материи, рассматриваются вопросы, напрямую связанные с исследованиями, ведущимися на кафедре ядерной физики Санкт-Петербургского Государственного университета. Одним из таких направлений является изучение нейтроноизбыточных ядер. Дело в том, что в современной карте нуклидов имеется изрядный пробел, мы имеем крайне мало информации о нестабильных ядрах с избытком нейтронов в области свинца. Причина заключается как в сложности экспериментального исследования этой области, так и в недостаточной проработанности существующих на сегодняшний день теорий. В частности, третий пункт из одиннадцати (после вопросов о Темной Энергии и Темной Матереии) был посвящен именно вопросу о формировании элементов тяжелее железа. Этот вопрос на сегодняшний день является фундаментальным с точки зрения ядерной астрофизики - ведь он напрямую связан с процессами, протекающими при взрывах сверхновых, а, возможно, и с целым рядом других явлений, в том числе и образованием черных дыр. В последние годы в этом направлении было получено значительное число данных, заставляющих кардинально переосмысливать существующие теории. В качестве примера можно привести открытие гало-ядер, когда нейтроны в ядре, оказываясь на периферии, образуют квазисвязанную систему с очень интересными свойствами. Пока такие изотопы обнаружены только для самых легких элементов периодической системы. Однако теория практически не накладывает ограничений на их массу. Другой интересный вопрос, как далеко мы можем «сместиться» с полосы стабильности. В звездах, в процессах, связанных с взрывом сверхновых, возникают значительные потоки нейтронов, которые могут быть захвачены присутсвующими ядрами и число таких захваченных нейтронов может быть значительным. Мы не можем полностью воспроизвести данную ситуацию в наших лабораториях, но косвенно исследовать этот процесс возможно. В частности, не так давно в реакциях с радиоактивными пучками были обнаружены элементы 40Mg и 42,43Al. К примеру, в ядре магния содержится 12 протонов и, в наиболее распространенном его изотопе, столько же нейтронов. В изотопе магния, рассмотренном выше, содержится 28 нейтронов, что в два с лишним раза больше! Пока обнаруженные ядра почти не изучены, а ведь теория предсказывает существование огромного числа еще не открытых ядер с нейтронным избытком. Нельзя не отметить и другой интересный вопрос, связанный с синтезом и исследованием сверхтяжелых элементов. В настоящий момент активно развиваются методы исследования, направленные на обнаружение новых сверхтяжелых ядер с зарядом больше 120.

Помимо исследования свойств ядер на кафедре ведется работа по изучению механизмов ядерных реакций. В качестве примера можно рассмотреть задачу о моделировании процессов, протекающих в звездах. Вероятности осуществления таких реакций очень малы, но в звездах это компенсируется огромным числом частиц, принимающих участие в ядерных взаимодействиях. В лабораторных условиях требуется прибегать к хитростям, позволяющим получать данные за приемлемое время. Так, в последние годы получил развитие метод «троянского коня», когда частица вносится в исследуемое ядро в составе более сложной системы. Это позволяет увеличить вероятность протекания процессов, но требует разработки новых теорий реакции.

В заключение можно отметить, что расширение границ изученных ядер и процессов их взаимодействия представляет собой важную и интересную задачу не только с точки зрения ядерной астрофизики, но и с точки зрения целого ряда других областей, таких, как теория поля и квантовая механика.