За время работы Фабрики
сверхтяжелых элементов (СТЭ) в Лаборатории
ядерных реакций ОИЯИ в 2020–2022 годах впервые в мире были
получены пять новых изотопов сверхтяжелых элементов: 264Lr, 286Mc, 276Ds, 272Hs
и 268Sg. Тот факт, что за два года работы Фабрики были открыты
сразу несколько неизвестных ранее изотопов, указывает на то, что это передовой
исследовательский комплекс, задающий новые стандарты в области синтеза и
изучения свойств сверхтяжелых элементов.
Циклотрон ДЦ-280.
Лоуренсий-264 был получен в ходе первых экспериментов на Фабрике СТЭ по синтезу
изотопов московия в реакции 48Ca+243Am. Время жизни
нового нуклида составило около пяти часов. Этот эксперимент повторял реакции,
которые уже изучались ранее, и не только в ЛЯР, но и в научных центрах
Германии, Японии, США.
«В первом же эксперименте, в этих,
казалось бы, известных и хорошо изученных реакциях, мы увидели новый изотоп
лоуренсия-264. Для нас это было показателем того, что Фабрика сверхтяжелых
элементов действительно работает так, как было задумано и превосходит по своим
возможностям установки предыдущего поколения», – прокомментировал ученый
секретарь ЛЯР ОИЯИ Александр Карпов.
Он добавил, что наиболее важным фактором, повлиявшим
на открытие лоуренсия-264, стали хорошие фоновые условия в фокальной плоскости
первого сепаратора Фабрики, DGFRS-II (Dubna Gas-Filled Recoil Separator) – он
способен чрезвычайно эффективно отсеивать события, не имеющие отношения к
синтезу сверхтяжелых элементов. По словам ученого, прежде считалось, что распад
московия-288 идет по цепочке нескольких альфа-распадов и завершается спонтанным
делением дубния-268, примерно через сутки. Однако ученым ЛЯР удалось
установить, что почти в половине случаев дубний действительно делится, а в
оставшихся ~50 % случаев – испускает альфа-частицу, образуя лоуренсий-264,
который до этого не наблюдался. Было зафиксировано около 50 событий
образования 264Lr из 110 событий 288Mc.
Сепаратор DGFRS-II.
Еще одна сильная сторона Фабрики СТЭ – ее высокая
производительность, что позволяет гораздо быстрее набирать статистику. Таким
образом, за один эксперимент иногда удается изучить реакцию при нескольких
энергиях пучка, работая при этом с предельно низкими сечениями (вероятностями)
синтеза, что создает возможность получения абсолютно новой информации. Так, в
2021 году на Фабрике СТЭ было получено одно событие образования нового изотопа
– московия-286, чье время жизни составляет всего 20 миллисекунд.
«Мы смогли обнаружить этот изотоп именно
благодаря тому, что теперь статистика набирается кратно быстрее, чем было до
сих пор», – отметил Александр Карпов.
Ученый секретарь ЛЯР ОИЯИ Александр
Карпов.
В эксперименте 2022 года использовалась реакция, которая
еще не изучалась нигде в мире – взаимодействие пучка кальция-48 с мишенным
материалом тория-232. В этой комбинации были получены сразу три неизвестных
ранее изотопа: дармштадтий-276 (шесть событий), хассий-272 и сиборгий-268 (по
два события). Оказалось, что дармштадий-276 за доли миллисекунды испытывает
альфа-распад в хассий-272, а хассий, в свою очередь, через сто миллисекунд
претерпевает альфа-распад в сиборгий-268, который в течение 10-15 секунд
спонтанно делится.
Основная цель этого эксперимента – подготовка к
синтезу 120-го элемента Периодической таблицы. Теория предсказывает, что для
реакции кальций – торий ожидалось минимальное сечение. Сечения в реакции с
кальцием-48 возрастают как при перемещении к более легким элементам, так и к
более тяжелым. А для 110-го элемента, дармштадтия, теорией предсказывался его
минимум.
«Попытаться на Фабрике синтезировать
ядро, для которого ожидается выживаемость даже ниже, чем для 120-го элемента,
было очень важно, чтобы продемонстрировать, что мы можем проводить эксперименты
с очень низкими сечениями. Ниже, чем мы работали до сих пор. И этого тоже
удалось добиться», – пояснил Александр Карпов.
Второе обстоятельство, по которому важно было
провести исследование – то, что изотопы 120-го элемента, которые могут быть
получены в одной из возможных реакций синтеза, будут проходить по цепочке
распада через дармштадтий-276, хассий-272 и сиборгий-268.
«Поэтому очень важно было получить эти
ядра отдельно, изучить их свойства, чтобы потом, при наблюдении событий синтеза
120-го, у нас была твердая убежденность, что мы правильно идентифицируем ядра»,
– уточнил Александр Карпов.
3 новых изотопа – 276Ds, 272Hs
и 268Sg – получены в реакции 48Ca + 232Th
Весной 2023 года в ЛЯР ОИЯИ планируется продолжить
исследование реакции кальций-торий, но уже при большей энергии пучка. Можно
надеяться как на уточнение свойств только что открытого дармштадтия-276, так и
на синтез других, пока еще неизвестных изотопов этого элемента, а именно
дармштадтий-275 или дармштадтий-274.
«За два года работы мы смогли получить
целых пять новых изотопов – это говорит о том, что Фабрика СТЭ – действительно
комплекс экстра-класса для синтеза и изучения сверхтяжелых элементов», –
подчеркнул ученый секретарь ЛЯР.
Параметры как ускорителя, так и сепараторов Фабрики
изначально были адаптированы для максимально эффективного решения задач в
области физики и химии сверхтяжелых элементов.
«В этот ускорительный комплекс вложен
весь наш опыт по созданию ускорителей и сепараторов, который был накоплен за
предыдущие десятилетия, с учетом всех идей по улучшению параметров установок.
По сути, мы выложились на все 100 процентов», – сказал Александр Карпов.
Преимущество специализированного комплекса еще и в
том, что ученые ЛЯР имеют возможность работать на нем практически
круглогодично, тогда как время сеансов на ускорительных комплексах в других
научных центрах приходится делить между исследовательскими группами,
работающими в разных направлениях.
«Мы имеем преимущество как во времени,
так и в доступе к материалу мишеней и материалу, формирующему пучок.
Ускорительный комплекс Фабрики сверхтяжелых элементов по всем показателям
сейчас действительно лидер в мире», – резюмировал Александр Карпов.
Новые изотопы 2020–2022 гг.
Фабрика сверхтяжелых элементов, созданная по
инициативе научного руководителя Лаборатории ядерных реакций академика Юрия Оганесяна, удерживает мировое лидерство в области
синтеза и изучения свойств сверхтяжелых элементов. Торжественное открытие
экспериментального корпуса Фабрики и запуск ее базовой установки – нового
циклотрона ДЦ-280 – состоялись 25 марта 2019 года. Проектная интенсивность
пучков ускоренных тяжелых ионов кальция-48, получаемых на ускорителе ДЦ-280,
составляет 60 трлн ионов в секунду, что в 10 раз превосходит интенсивности,
достигнутые на других действующих ускорителях. Одна из ключевых задач
ускорительного комплекса – синтез новых сверхтяжелых элементов с номерами 119 и
120 – первых элементов восьмого периода Периодической таблицы химических
элементов Д. И. Менделеева. Для синтеза настолько тяжелых элементов, а также
для детального изучения ядерных и химических свойств элементов уже известных
необходимо было существенно – в десятки раз – повысить эффективность проводимых
экспериментов, что и было сделано на Фабрике.
Для осуществления проекта силами ОИЯИ был построен
современный экспериментальный корпус, оснащенный всеми необходимыми инженерными
системами для обеспечения работ с высокорадиоактивными веществами. В состав
Фабрики входят, помимо ускорительного комплекса ДЦ-280, два газонаполненных
сепаратора ядер отдачи: DGFRS-II и GRAND.
Первый эксперимент на Фабрике, посвященный синтезу и
изучению московия и продуктов его распада, прошел во втором полугодии 2020 г.
Он вошел в список задач по гранту Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на
2020–2022 годы «Сверхтяжелые ядра и атомы: пределы масс ядер и границы
Периодической таблицы Д. И. Менделеева». Научный руководитель гранта –
академик Юрий Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных
реакций ОИЯИ, административный руководитель – ученый секретарь ЛЯР Александр
Карпов.
Программа экспериментов по синтезу новых изотопов
сверхтяжелых элементов реализуется при ведущем участии ученых ОИЯИ: среди
соавторов представители России, Казахстана и Чехии. Работа ведется в
сотрудничестве с учеными Ок-Риджской
национальной лаборатории США и Институтом современной
физики Китайской академии наук. Материал для актинидных мишеней и пучка
(кальций-48) был наработан на предприятиях ГК «Росатом» (Россия).
Источник: ОИЯИ.