Презентация к лекциям 2

Статус современной ядерной
физики
(достижения и перспективы)
Д.Н. Воскресенский НИЯУ МИФИ
Собственно ядерная физика
Наука о строении атомных ядер и ядерной материи
•
•
•
•
•
•
физика адронов
ядерная структура и динамика
ядерная астрофизика
фазы ядерного вещества
столкновения ядер
компактные звезды
Адроны -белые
Нуклон N=(p,n) (3 цветных кварка):
M= 938 МэВ
Протон =
Мезон
(кварк-антикварк)
Пион: mπ =140 МэВ
Резонансы: возбужденные и виртуальные состояния барионов: ∆ (1232) и др.,
Странные «s» кварки:
входят в состав гиперонов (Λ, Σ, Ξ (-2), Ω(-3) и т.д.) и мезонов (каоны, φ, и т.д.).
Странность сохраняется в сильных,
но не сохраняется в слабых процессах
Очарованные: (тяжелые) «с»-кварки входят в состав J/ψ, D мезонов и др.
• Низко-энергетическая ядерная физика
Основные составляющие ядра – нуклоны:
нейтроны и протоны,
которые состоят из кварков и глюонов
1900-05 опыты по радиоактивности
Резерфорд
1932-открытие нейтрона
Чадвик
Нейтроны и протоны имеют почти одну и ту же массу и барионный заряд
и отличаются только по электрическому заряду
изотопическая инвариантность сильных взаимодействий.
Первые идеи (1932)
«Лежат без пользы тайны как в копилке. Мы тайны эти с корнем вырвем у ядра» В.Высоцкий
Состав ядра
木 木 джунгли
木木
протоны и нейтроны обмениваются виртуальными мезонами: π,σ, ω,ρ
(π,σ –притяжение, ω-отталкивание)
глубина потенциальной ямы,
на порядок больше энергии
электростатического
отталкивания протонов
Нестабильный свободный нейтрон внутри ядра может стать стабильным.
Нуклоны можно удалить из ядра, затратив энергию
При синтезе легких (если сумма масс начальных ядер больше массы конечного
ядра) и делении тяжелых ядер (если масса начального ядра больше суммы
масс осколков), как следствие связи Е= Мс2 , выделяется энергия.
Технические приложения
Капельная модель ядра
• предложена Н. Бором в 1936 г. и развита
Я. Френкелем и Д-А. Уиллером. На ее основании
К-Ф. фон Вайцзеккером была получена
полуэмпирическая формула для энергии связи
ядра.
Вайцзеккер
Н. Бор
Я. Френкель
Д-А Уиллер
Ядро – квантовая система-капля
(Ферми) жидкости
(rNN ~ Фм >>L~0.2Фм) примерно постоянной плотности
n~n0 ≈ 0.17 фм-3 , ρ ≈ 2.8 *1014 г/см3
≈0.5 m-3π ~1 - пион играет основную роль
(
= с = 1,
опять размерность!)
Для гидродинамического и термодинамического
описания надо знать уравнение состояния ядерного
вещества в широком интервале плотностей и температур.
«На эту задачу человечество потратило больше времени, чем на другие задачи…»,
Г. Бете (1970)
Главная проблема – сильное взаимодействие!
Капельная модель ядра
Зависимость числа нейтронов N от числа
протонов Z для стабильных ядер (N=A−Z).
в МэВ
где δ=1, 0, -1 для четно-чётных, четно-нечётных и нечетно-нечётных ядер
Учет квантовости: модель
оболочек
Предполагается, что нуклоны движутся независимо друг от
друга в потенциальной яме. Периодичность свойств
определяется магическими числами нейтронов и протонов.
n 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184
p 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
Магические числа соответствуют полностью заполненным
оболочкам. Периодичность свойств способствует
существованию островков стабильности сверхтяжелых ядер
У легких и средних ядер число протонов и нейтронов примерно одинаково.
Наиболее стабильны ядра железа.
Для инициирования термоядерного взрыва водородной бомбы достаточно T~ 5107 К.
Элементы с Z > 92 в естественных условиях не обнаружены. Более тяжёлые ядра
синтезированы искусственно.
Ядерные реакции
• природа химических элементов
• природа выделения энергии звезд
A1
Z1
Законы сохранения:
X + Z2Y  A + B
A2
A3
Z3
A4
Z4
A1 + A2 = A3 + A4 (массового числа-барионного заряда)
Z1 + Z2 = Z3 + Z4
(электрического заряда)
Количество энергии освобождаемой в ядерной реакции (Q):
Q = [(m1 + m2) – (m3 + m4)] c2
начальная
конечная
Q> 0: Экзотермический процесс (выделение энергии)
Q< 0: эндотермический процесс (поглощение)
в горячих звездах
Ядерный синтез в природе
• H, He, Li, Be
синтезируются на начальной стадии Вселенной. Более
тяжелые – в ядерных реакциях в рождающихся,
умирающих и вновь рождающихся звездах
• элементы тяжелее Fe, к примеру U, -- в сверхновых.
«Мы все состоим из звездной пыли»
Карл Саган
Каждый тяжелый атом нашего тела собран в процессе ~100-1000 взрывов звезд.
Относительная распространенность
элементов в Солнечной системе
Распространённость элементов в земной
коре (% масс.) Земное ядро состоит в
основном из железа и никеля.
Низкоэнергетическая ядерная физика и ядерная астрофизика
стабильные ядра
синтезированы
распады:

+
-
p, 2p
деление
предсказанные,
но пока не синтезированные
число протонов
быстрый n-захват, ~сек
медленный n-захват,
~102-103 лет
медленный p-захват
Процессы астрофизического
ядерного синтеза
быстрый p-захват
число нейтронов
Перспективы: Пока (в столкновениях ионов)
идентифицированы только ~2000 из
>8000 возможных экзотических ядер
• Область расположения стабильных ядер называют долиной
стабильности. С левой стороны от стабильных ядер находятся
ядра, перегруженные протонами (протоно-избыточные ядра),
справа – нейтроно-избыточные ядра.
Тяжелые ядра подвержены
• α-распаду
• β+- и β¯-распадам
• и спонтанному делению
Современная низкоэнергетическая ядерная
физика и ядерная астрофизика
Много новых результатов: Ренессанс
основное направление –
изучение свойств ядер далеких от долины стабильности
а также
изучение ядерных реакций в звездах
Закон радиоактивного распада
Количество ядер, претерпевающих превращение за время dt,
d N= - С N dt, С – постоянная распада.
Закон радиоактивного распада:
N=No e- С t.
В альфа-частице удельная энергия связи оказывается больше, чем в тяжелых
ядрах. Поэтому многие тяжелые ядра с Z > 82 испытывают альфа-распад.
Например, 238U испускает альфа-частицы с периодом полураспада
4,5109 лет: происходит ядерная реакция
238U  234Th + 4He + 4,2 МэВ.
Бета-распад- испускание электронов (-е) или позитронов е+
Простейший пример -- превращение свободного нейтрона в протон с периодом
полураспада 12 мин: n  p + e + 
1939 г. Хан и Штрассман открыли процесс деления ядер.
Деление
При поглощении нейтронов ураном происходит деление ядра
на два осколка.
92U + n
56Ba + 36Kr + N n.
Нейтрон с энергией ~ 0,1 эВ освобождает энергию ~ 200
МэВ. Процесс сопровождается появлением новых
нейтронов (235U: в среднем N=2.4), способных вызывать
деление других ядер урана – цепная реакция деления.
При полном сгорании 1 г. U освобождается столько же
энергии как при сгорании 3 т. угля.
Деление ядер. Цепные реакции
Неуправляемая ядерная реакция деления – ядерное оружие,
управляемая ядерная реакция деления – атомные реакторы
Производство новых элементов
Бомбардировка нейтронами (1940-1952)
U n
238
92
239
94
Np  e
239
93
Pu  2n 

Pu 
241
94
239
93
Np 
Am  e
241
95
Pu  e
239
94


Такая стратегия работает до 100 элемента.
и 243Am, имеют периоды полураспада 432 и 7370 лет.
241Am используется в детекторах дыма, для непрерывного измерения толщины
стальной (от 0.5 до 3 мм) и алюминиевой (до 50 мм) лент, а также листового стекла.
252Cf используется в качестве мощного источника нейтронов,
235U, 239,241Pu – в качестве топлива
241Am
Производство новых элементов
Горячее слияние ядер (1952-1974)
Столкновение легкого и тяжелого ядер
Такая стратегия работает до 106 элемента.
Производство новых элементов
Холодное слияние
Средне-тяжелое ядро плавно подводится
к тяжелому, предолевая Кулоновский барьер.
244,246Cm/249Cf
208Pb/209Bi
+ 12,13C/10,11B/15N/18O  (4-6n) (1958-1974)
+ 54Cr/58Fe/62,64Ni/70Zn  (1n) (1981-1996)
242,4Pu/243Am/ 245,8Cm/249Cf/
Ds
(269)
Rg
(272)
113
(284)
+ 48Ca  (2-5n) (1998-2004)
115
(288)
118
(294)
darmstadium roentgenium
Горячее слияние
238U/239Pu/241Am/242Cm/253Es
+ 1n/2H/4He  (1n) (1940-1955)
Последние открытые элементы
113, 2003-2004 Дубна-Ливермор, 2004 Рикен (~20 сек)
114, 1998-99 Дубна (~1мин)
115, 2004 Дубна-Ливермор (~220 мл.сек)
116, 2000, 2009 Дубна (~60 мл.сек)
117, 2010 Дубна (~78 мл.сек)
118, 2002 Дубна, 2006 Ливермор (~0.9 мл.сек)
Заявление об открытии элементов 116 и 118 в 1999 году в Беркли США
оказалось сфальсифицированным
Синтез сверхтяжелых
Открытые элементы в GSI N=107-112;
в Дубне 113-118
Оболочечные эффекты
Коперниций: назван в 2010.
ожидаемый островок стабильности
Z=120-126, и N=184
нужны пучки ядер тяжелее 48Ca
Более темный синий фон соответствует
большей стабильности в данной области Z,N.
Последняя гавань Z=126
island of
Superheavy
Elements
114
strait
of
instability
Число протонов
peak of U
peak of Pb
82
strait
of
radioactivity
sea of instability
50
peak of Sn
20
sea of instability
peak of Ca
20
82
Рис. Флеров, Ильинов (1982)
126
184
Число нейтронов
Флеров
Зависимость энергии на нуклон от плотности
столкн.
ядер
Микроск.
Атомн.
ядра
Микроск.
знание энергии симметрии важно для описания
нейтрон-избыточных ядер, сверхновых, нейтронных звезд,
построения уравнения состояния
Также, изучая распределение нейтронов в ядрах,
дипольные резонансы
можно определить коэффициент энергии симметрии ядерного вещества
и извлечь ее зависимость от плотности
Супердеформированные ядра
Ядра с большим угловым моментом
Фазовые переходы с изменением формы ядра
Ядра находящиеся в состоянии супердеформации имеют соотношение осей эллипсоида
примерно 2:1:1.
Лево-правая асимметрия (ROT-эффект на 235U),
когда ось вращения не совпадает с осью деления
Экзотические атомы
информируют о ядерном и электромагнитном взаимодействиях
Пионные и каонные атомы. Пион и каон в ядерной
среде - сложные коллективные Бозе-возбуждения
Спектр пионов при ρ~ρ0
Спектр К- при ρ~ρ0
116-124
Sn
π атомы
К атомы
предвестник пионной конденсации
При ρ>(2-3)ρ0 возможна конденсация !
Мульти-антикаонные капли (?)
(Мигдал, МИФИ, 1971)
Пионный и каонный конденсаты
А.Б.Мигдал
• Неустойчивость пионов в плотной ядерной среде
приводит к пионной конденсации -- нуклоны
выстраиваются в периодическую структуру
(предсказана А.Б. Мигдалом, МИФИ, ИТФ Ландау, 1971).
• Аналогично может возникнуть и каонный конденсат
Выигрыш в плотности энергии
Конденсаты могут проявлять эффекты сверхтекучести и сверхпроводимости
Экзотические ядра. Гипер-ядерная физика.
гиперон-нуклонное и гиперон-гиперонное
взаимодействие важно для построения уравнения
состояния нейтронных звезд (проблема максимальной
массы компактной звезды)!
«Тропы ещё в антимир не протоптаны- как на фронте, держись ты! Бомбардируем
мы ядра протонами, Значит, мы - антиллеристы. » В.Высоцкий
Антимир рукотворный
Анти-атомы: 5 атомов анти–3Не (2003) ЦЕРН;
•
анти–Н (38 атомов, 1.6 с.) (2010) ЦЕРН;
•
анти–4Не зарегистрирован в 2010 году на ионном коллайдере RHIC
•
2011- на 16 мин. произведено анти-гиперядро (анти-3He) RHIC.
CPT тест (надежда достичь точности 10-18 по естественной ширине линии 2S-1S).
Изучая нейтральные анти-атомы, можно будет определить
гравитационные свойства и сравнить G и анти- G.
Другие новые результаты
Систематические точные измерения масс,
магнитных и квадрупольных моментов,
<rn2>- <rp2> вдоль длинных изотопических цепочек
Новые дважды-магические ядра 100Sn, 78Ni,..
удаленные от границ β-стабильности.
Обнаружено np (изоспин 1) спаривание
Новый тип радиоактивности – двухпротонная
92Pd:
N=Z= 46, Nature (2011)
предсказана Гольданским МИФИ, 1960
обнаружена на 45Fe в 2002.
Безнейтринный двойной -распад
Дираковские нейтрино
нейтрино и антинейтрино различные частицы
Стандартная модель: лептонное число точно сохраняется
Майорановские нейтрино
нейтрино совпадает с антинейтрино
(как фотон с антифотоном)
лептонное число не сохраняется, возможна реакция (A,Z) → (A, Z+2) +e+e
-распад
двойной -распад (ββ)
безнейтринный двойной -распад (0νββ)
Коллаборация Гейдельберг-Москва
Mod.Phys.Lett. A21 (2006) 1547
утверждают, что обнаружили (0νββ) на 76Ge:
период полураспада
T1/2=(2.23+0.44-0.31)x 1025лет
mν =0.24±0.02 eV
(6!)
4.7% массы темной материи.
Требуется независимая проверка!
Gе Detector Array (GERDA) эксперимент лаборатории Gran Sasso Италия
11.2011-05.2013 не нашел распадов и определил T1/2 > 2.1 1025 лет.
Запланирован ряд новых экспериментов
(Не)зависимость фундаментальных
констант от времени
два близколежащих уровня малой энергии. Переход
из изомерного состояния 3/2+→5/2+, ω=7.6 ±0.5 эВ.
«Ядерный свет»
229Th
Переход доступен для исследования лазерной
спектроскопией. Уникальная система в
ядерной
физике!
VC~ГэВ
δω/ω~ 104 δe2/e2 ,
δe2/e2 <10-16/год
Проблема точности измерений
Возбужденный нейтрон, переходя в более низкое энергетическое состояние,
испускает фотон, возникает осцилляция электромагнитного поля.
Период осцилляции определяет единицу времени.
Можно создать эталоны частоты на ядерном переходе
229Th
с точностью 10–18 – 10–20.
Часы, запущенные в момент Большого Взрыва и
обладающие такой точностью, показывали бы сегодня
время с погрешностью не более 4 миллисекунды!
В МИФИ проводятся исследования в этой области
Требуется дальнейшее изучение:
•
свойств тяжёлых ядер, в том числе физики деления тяжелых ядер
поляризованными нейтронами;
• свойств малонуклонных систем, основных и возбужденных
состояний, механизмов ядерных реакций; изучение реакций,
вызываемых протонами, нейтронами, дейтронами и тритонами на
легких ядрах, фотоядерных реакций; исследование пороговых
аномалий и связанной с ними спектроскопии.
• гигантских резонансов на средне-тяжелых ядрах, природы изобараналоговых резонансов, прямого нейтронного распада, внутреннего и
внешнего смешивания, гамов-теллеровских резонансов в компаундсистемах и т.д.
Знание зависимости энергии от плотности и изотопического состава
важно для описания нейтрон-избыточных ядер,
столкновений ядер, сверхновых, нейтронных звезд