Лаборатория теоретической ядерной физики

Ядро –система сравнительно небольшого числа частиц (протонов и нейтронов), между которыми действует т.н. сильное взаимодействие. Главные проблемы в ядерной физике проистекают из того, что нам неизвестен вид этого взаимодействия, хотя мы и знаем его основные черты: обладает так наз. изотопической инвариантностью, при r→∞ ведет себя как exp(-αr), на малых расстояниях является оттталкивательным, причем отталкивание носит сингулярный характер, является нецентральным т.е. зависит не только от радиус-вектора между двумя нуклонами и т.д. Поэтому, хотя точный вид взаимодействия неизвестен, мы умеем неплохо моделировать его вводя так наз. эффективные ядерные силы. Поэтому, наверное, главная проблема в теории ядра заключается не в ядерных силах, а в том, что с одной стороны количество частиц слишком велико (~ 10-100) для того, чтобы можно было применить точные методы т.е. решить уравнение движения для нескольких десятков частиц, но с другой стороны оно недостаточно велико, чтобы применить статистические методы описания.

Ядро, как и любая другая система, может находиться в связанном состоянии и в несвязанном состянии. Соответственно, очень грубо ядерную физику можно разделить на ядерную спектроскопию, которая изучает ядро в связанном состоянии (изучает ядро в дискретном спектре) и теорию ядерных реакций, которая изучает несвязанные состояния ядер (ядро в непрерывном спектре); можно еще выделить ту часть ядерной физики, которая занимается делением.

Как и любая квантовая система, атомное ядро может находиться в различных энергетических состояниях. Состояние с наименьшей энергией называется основным, остальные — возбужденными. Основное состояние стабильного ядра стационарно. Возбужденные состояния любого ядра (в том числе стабильного) нестационарны (испытывают у-переход и др.) с испусканием γ-кванта. Кроме того, возможен переход в состоянием с другим зарядом и/или массовым числом A – явление, которое носит название радиоактивности.

В самом широком смысле ядерной реакцией называется любой процесс, начинающийся столкновением двух, редко нескольких, микрочастиц (простых или сложных) и идущий, как правило, с участием сильных взаимодействий. С этой точки зрения ядерными реакциями в числе прочих являются и такие процессы, как, например, упругое рассеяние нуклон — нуклон, рождение нового пиона при столкновении пиона с нуклоном и др. Этому довольно всеобъемлющему определению удовлетворяют и ядерные реакции в узком смысле этого слова, под которыми понимаются процессы, начинающиеся столкновением простой или сложной микрочастицы (нуклон, дейтрон, у-квант, пион,...) с ядром. Теории ядерных реакций присуще те проблемы о которых говорилось выше. Точный вид ядерного или сильного взаимодействия неизвестен, число частиц достаточно велико, чтобы точное решение уравнений движения было весьма затруднительно или вовсе невозможно, с другой стороны – число частиц недостаточно велико, чтобы применить статистические методы. Собственно отсюда и предмет исследования теории ядерных реакций: 1) выяснение характерных признаков взаимодействия между ядерными системами, что крайне важно для задачи определения точного вида нуклон-нуклонных сил. Собственно, большая часть информации о NN взаимодействиях была получена из экспериментов по нуклон-нуклонному рассеянию; и, 2) определение структуры промежуточных и нестабильных состояний ядер.

Лаборатория теоретической ядерной физики занимаемся теорией ядерных реакций в основном в двух направлениях.

1. Реакции с участием ядерных кластеров (кластер – устойчивая система из сравнительно небольшого числа частиц внутри системы, состоящей из достаточно большого числа частиц). Простейшим из ядерных кластеров является α-частица (ядро атома ⁴He). Экспериментально известен следующий достаточно простой факт. Если столкнуть два ядра с достаточно большой энергией, то в с наибольшими вероятностями (правильно говорить – с наибольшими сечениями) среди осколков деления будут присутствовать нуклоны (протоны и нейтроны), затем α-частицы, а уже затем все остальное. Отсюда возникает ряд вопросов. Например, существует ли α-частица внутри стабильного ядра или она формируется как возбужденное состояние ядра в ядерных соударениях? Какие свойства ядерных взаимодействий приводят к формированию α-частицы в ядре? Какова роль многочастичных эффектов, именно принципа Паули в формированиии α-частицы в ядре. (Принцип Паули – сугубо микроскопический или квантовый эффект, в состоянии с определенным набором квантовых чисел может находиться только один фермион). Само существование α-кластера, т.е относительно устойчивой системы 4-х частиц, проистекает из того, что имеется два вида нуклонов и каждый нуклон может находиться в двух спиновых состояниях. Возможность существования или возникновения более тяжелых кластеров гораздо менее хорошо изучена, но есть свидельства существования кластерной радиоактивности. В последнее время появилась идея о возможности существования так наз. Бозе конденсата в ядре. В многочастичной многофермионной системе Бозе-конденсатом называется формирование бозонов – частиц для которых принцип запрета Паули не имеет места, в результате чего система «сваливается» в нижайшее по энергии состояние. В ядре в роли бозона может выступать α-частица. Появились экспериментальные свидельства (лучше бы сказать намеки) о существовании Бозе-конденсата в ядрах ¹²C, ¹⁶O. Проблема α-кластеризации в этих ядрах имеет и астрофизический аспект. Углерод (одна из главных составляющих белков) и кислород образуются в реакциях 3→¹²C, ¹²C+⁴He → ¹⁶O. Определение сечений этих реакций чрезвычайно важно для решения проблемы синтеза тяжелых элементов в звездах. Изучение кластеризации в ядрах, как говорилось выше, требует корректного учета принципа Паули. Вследствии действия принципа Паули потенциал взаимодействия ядер является нелокальным. Взаимодействием определяется не только значением потенциала в данной точке нои его значениями в некоторой прилегающей области пространства. Поэтоу здесь возникает еще одна проблема – описание ядерных реакций с частицами, взаимодействующими посредством нелокальных потенциалов или более общее – учет в соответствующих уравнениях принципа Паули. Проблема кластеризации важна не только для описания α-кластерных состояний в ядрах. Нуклон не является бесструктурной частицей, но состоит из кварков (n=udd, p=uud), следовательно, в определенном смысле является кластером внутри ядра. Поэтому все методы развитые для изучения α-кластеризации применимы и для изучения кварковых степеней свободы внутри ядра.

2. Другое персперктивное направление в эксперименте с ядрами и в теории ядерных реакций – изучение так называемых экзотических ядер – легких ядер с избытком нейтронов (⁶He, ⁸He, ⁹Li, ¹⁰Be). В стабильных легких ядрах (ядра с массовым числом до нескольких десятков) число нейтронов и протонов примерно одинаково. Свободный нейтрон нестабильная частица со средним временем жизни около 10 мин, он распадается на протон электрон и нейтрино (точнее электронное антинейтрино), этот распад наз. β-распадом. Поэтому ядро с избытком нейтронов нестабильно по отношению к β-распаду. Однако, время жизни таких ядер весьма велико в силу того, что за β-распад отвечает слабое взаимодействие. Таким образом, β -радиоактивное ядро в течение громадного (в ядерных масштабах) времени сохраняет все свои индивидуальные (типичные для данного ядра) ядерные свойства (масса, нуклонный состав, система уровней, характеристики этих уровней, способы ядерных преобразований и т. п.). р-Радиоактивное ядро, так же как и β -стабильное, может быть стабильно по отношению к ядерным взаимодействиям. Поэтому возможно изучение таких ядер в реакциях. Изучение этих ядер поможет ответиь на такие фундаментальные вопросы как вопрос о границах нуклонной стабильности (точное положение этой границы пока неизвестно), какими специфическими свойствами обладает ядро вблизи границы нуклонной стабильности. Теоретическое изучение этих ядер наталкивается на те же трудности, что и изучение α-кластерных ядер. Дело в том, что естественной моделью таких ядер является представление кластер+«валентные» нуклоны.

Фадеев Сергей Николаевич, доцент, к.ф.-м.наук