Лаборатория физики экзотических ядер

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 ²²⁹Th^m 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.