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.