Study of probability of superheavy system formation and decay depending on Z1 Z2 Coulomb factor at energies near the Coulomb barrier

(JINR First Prize 2020 for Experimental Research)
E. Kozulin, A. Bogachev, I. Vorobiev, M. Itkis, J. Itkis, G. Knyazheva, D. Kumar, K. Novikov, A. Pan, I. Pchelincev

Исследование вероятности образования и распада сверхтяжелых систем в зависимости от кулоновского фактора реакции Z1Z2 при энергиях вблизи кулоновского барьера
(первая премия ОИЯИ за 2020 год в номинации “За научно-исследовательские экспериментальные работы” )

Получение и исследование свойств ядер вблизи «острова стабильности» является одной из основных задач современной ядерной физики. Теоретически его существование было предсказано вблизи нейтронной N = 184 и протонной Z = 114 или Z = 120–126 оболочек. Протонная оболочка до сих пор точно не определена, т.к. ее число, получаемое в различных моделях, сильно зависит от выбора значений используемых параметров. Имеющиеся экспериментальные данные подтверждают существование «острова стабильности», но не позволяют сделать однозначного вывода о значениях протонной и нейтронной оболочек.

В последнее время были достигнуты большие успехи в синтезе новых сверхтяжелых элементов с использованием реакций полного слияния тяжелых ядер. Для их получения используются как реакции холодного (когда один из партнеров реакции – 208Pb или 209Bi), так и горячего синтеза (с использованием актинидных ядер). Использование ионов 48Ca в реакциях горячего синтеза позволяет получать составные ядра с относительно небольшой энергией возбуждения (30–40 МэВ) вблизи кулоновского барьера. Кроме того, сверхтяжелые ядра, образующиеся в реакциях ионов 48Ca с актинидами, являются более нейтронно-избыточными по сравнению с реакциями холодного синтеза. Сечение образования элементов с Z = 112–118 в реакциях с 48Ca составляет несколько пикобарн [1–5], тогда как в реакциях холодного синтеза оно резко падает с увеличением заряда ядер, и для Nh (Z = 113) насчитывает всего около 55 фемтобарн [5]. Дальнейший прогресс в синтезе новых сверхтяжелых элементов в реакциях холодного синтеза затруднен из-за резкого уменьшения сечения их образования.

На сегодняшний день самым тяжелым элементом является оганесон (Og) с Z = 118. Для его синтеза была использована реакция 48Ca + 249Cf. Получение сверхтяжелых элементов с Z > 118 и изучение их свойств представляют особый интерес для дальнейших исследований «острова стабильности». К сожалению, эти ядра не могут быть получены в реакциях с ионами 48Ca из-за ограниченного набора актинидных ядер (самое тяжелое – калифорний c Z = 98). Использование более тяжелых налетающих ионов (Ti, Cr, Fe и Ni) является одним из возможных решений.

Однако увеличение кулоновского фактора Z1Z2 реакции приводит к уменьшению сечения образования составного ядра – чем тяжелее налетающий ион, тем сильнее кулоновское отталкивание между взаимодействующими ядрами. Этот фактор главным образом определяет механизм взаимодействия двух тяжелых ионов (образование составного ядра, квазиделения и реакции глубоконеупругих передач). Квазиделение и реакции глубоконеупругих передач являются бинарными процессами с полной передачей импульса, в которых составная система разделяется на два основных фрагмента, минуя стадию образования составного ядра. Квазиделение оказывается наиболее важным механизмом, который подавляет образование составного ядра при слиянии тяжелых ядер.

Для исследования вероятности образования и распада сверхтяжелых систем вблизи «острова стабильности» в зависимости от кулоновского фактора реакции Z1Z2 нами был проведен цикл экспериментов. В этих экспериментах были измерены массовые, энергетические и угловые распределения бинарных фрагментов распада сверхтяжелых составных систем с Z = 114 и 120, образованных в реакциях 52Cr + 232Th, 52,54Cr + 248Cm, 86Kr + 198Pt и 68Zn + 232Th.

В представленном цикле работ [6–9] проведен сравнительный анализ полученных результатов с уже имеющимися данными для реакций с ионами 36S, 40,48Ca, 48,50Ti, 58Fe и 64Ni. Это позволило получить вероятности слияния для сверхтяжелых систем в широком диапазоне изменения кулоновского фактора Z1Z2 от 1472 до 2808. Измерения проводились в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова ОИЯИ в г. Дубна и Университете г. Ювяскюля (Финляндия) с помощью двухплечевого времяпролетного спектрометра CORSET [10].

В этих исследованиях нами показано [6, 8], что в случае реакций с ионами 48Ti и 52,54Cr асимметричные фрагменты квазиделения имеют свойства, близкие к свойствам фрагментов реакций с ионами 48Ca со средним временем взаимодействия около 5–7х10–21с (см. рис. 1). Однако в реакциях с ионами Ni и Zn это время уменьшается до ~3х10–21с, что, вероятно, обусловлено сильным кулоновским отталкиванием, приводящим к довольно быстрому распаду образовавшейся двуядерной системы.

Рис. 1. Зависимость времени взаимодействия при образовании асимметричных фрагментов квазиделения в исследуемых реакциях, а также в реакциях ионов 48Ca и 48Ti с ядрами актинидов от среднего параметра делимости. Линии приведены для наглядности.

Из сравнения сечений захвата и массово-энергетических распределений бинарных фрагментов нами было обнаружено, что при переходе от реакций с Z1Z2 ≈ 2300 к Z1Z2 > 2500 вклад фрагментов, образующихся в долгоживущих двуядерных системах, сильно уменьшается, а основными механизмами взаимодействия становятся реакции малонуклонных передач и глубоконеупругого рассеяния.

На рисунках 2 и 3 представлены массово-энергетические распределения бинарных фрагментов, полученных в исследуемых реакциях. События между квазиупругими пиками, выделенные контурами, характеризуются большой энергией диссипации и значительной передачей нуклонов и могут образовываться как при делении составного ядра, так и в процессе квазиделения. Следует отметить, что фрагменты деления и квазиделении имеют довольно близкие свойства, что усложняет задачу их разделения.

Рис. 2. Массово-энергетические распределения бинарных фрагментов, образующихся в реакциях 52,54Cr + 248Cm, 64Ni + 238U и 68Zn + 232Th, ведущих к образованию составных систем с Z = 120 при энергиях вблизи кулоновского барьера. Сверху вниз: массово-энергетические распределения (M-TKE) бинарных продуктов реакций; массовые распределения делительноподобных фрагментов внутри контуров на M-TKE матрицах.

Рис. 3. Массово-энергетические распределения бинарных фрагментов, образующихся в реакциях 48Ca + 244Pu, 48Ti + 238U, 52Cr + 232Th и 86Kr + 198Pt, приводящих к образованию композитных систем с Z = 114. Сверху вниз: матрицы M-TKE бинарных продуктов реакций; массовые распределения и средняя кинетическая энергия как функция массы фрагментов, выделенных контурами на матрицах M-TKE.

Нами было обнаружено значительное изменение свойств симметричных фрагментов в реакциях с ионами 52,54Cr (рис. 2) и 48,50Ti (рис. 3), а также их кардинальное изменение в реакциях с ионами 64Ni и 68Zn (рис. 2) по сравнению с ионами 48Ca (рис. 3). В работах [6, 8] показано, что при энергиях выше кулоновского барьера вклад симметричных осколков не меняется с увеличением энергии взаимодействия и составляет около 5–6% для реакций с ионами 52Cr, в отличие от реакций с ионами 48Ca, где этот вклад монотонно возрастает. Это может свидетельствовать о значительном увеличении процесса квазиделения при переходе от ионов 48Ca к ионам 48Ti и 52Cr (рис. 4). Таким образом, для ядерных систем с Z1Z2 > 2000, квазиделение является доминирующим процессом даже при образовании симметричных фрагментов.

Рис. 4. Вклад симметричных осколков во все делительноподобные события, образующиеся в реакциях 48Ca + 238U, 48Ca + 244Pu, 48Ti + 238U, 52Cr + 232Th и 86Kr + 198Pt в зависимости от энергии взаимодействия.

На основе анализа массовых и энергетических распределений были оценены вероятности слияния при энергиях выше кулоновского барьера для реакций 52,54Cr + 248Cm, 68Zn + 232Th [6]. Полученные вероятности хорошо согласуются с зависимостью вероятности слияния от среднего параметра делимости, найденной для реакций деформированных ядер с ионами 36S, 48Ca, 48Ti и 64Ni (рис. 5). Обнаружено, что вероятность слияния падает примерно на три порядка при переходе от реакции 48Ca + 238U к 54Cr + 248Cm и более чем в 105 раз при переходе к реакции 68Zn + 232Th. На основании полученного значения вероятности слияния для реакции 54Cr + 248Cm ожидается, что сечение образования сверхтяжелого элемента с Z = 120 составит около нескольких фемтобарн. В случае реакций 64Ni + 238U и 68Zn + 232Th сечения образования на один и два порядка меньше, чем в реакции 54Cr + 248Cm, соответственно.

Таким образом, реакции полного слияния ионов Ti и Cr с актинидными ядрами могут быть использованы для получения сверхтяжелых элементов с Z > 118. Однако, сечение образования составных ядер в этих реакциях падает на несколько порядков по сравнению с реакциями с ионами 48Ca. Альтернативным путем получения этих ядер может быть использование реакций многонуклонных передач, например, в реакциях 238U + 238U, 238U + 238Cm. Возможно, это позволит получить более нейтронно-обогащенные ядра, чем в реакциях полного слияния ядер.

Рис. 5. Вероятность слияния для реакций 54Cr + 248Cm и 68Zn + 232Th в сравнении с вероятностями слияния в реакциях горячего синтеза (сильно деформированные ядра-мишени) [11] при энергиях выше кулоновского барьера в зависимости от среднего параметра делимости реакции. Кружки – вероятности слияния, рассчитанные для реакций холодного синтеза [12].

Таким образом, авторами был проведен большой цикл экспериментальных работ по исследованию вероятности образования и распада сверхтяжелых систем в зависимости от кулоновского фактора реакции Z1Z2 при энергиях вблизи кулоновского барьера.

Проанализированы свойства процессов слияния-деления и квазиделения в составных системах с Z = 114 и 120. Подтверждена доминирующая роль квазиделения для ядерных систем с кулоновским фактором Z1Z2 > 2000. Вычислены вероятности слияния для рассмотренных реакций. Полученные данные помогут в дальнейшем изучении «острова стабильности» и постановке экспериментов по получению элементов с Z > 118. Коллектив удостоен первой премии за научно-исследовательские экспериментальные работы на 129-ой сессии Ученого совета ОИЯИ.

к.ф.-м.н. Эдуард Козулин, начальник Сектора №5 динамики взаимодействия тяжелых ядер, деления тяжелых и сверхтяжелых ядер
ЛЯР ОИЯИ

Библиография

Yu. Ts. Oganessian, V. K. Utyonkov, Yu. V. Lobanov et al. Measurements of cross sections and decay properties of the isotopes of elements 112, 114, and 116 produced in the fusion reactions 233,238U, 242Pu, and 248Cm+48Ca. Phys. Rev. C 70, 064609 (2004).
Yu. Ts. Oganessian, V. K. Utyonkov, Yu. V. Lobanov et al. Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the 249Cf and 245Cm+48Ca fusion reactions. Phys. Rev. C 74, 044602 (2006).
Yu. Ts. Oganessian. Heaviest nuclei from 48Ca-induced reactions. J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 34, R165 (2007).
Yu. Ts. Oganessian, F. Sh. Abdullin, P. D. Bailey et al. Synthesis of a New Element with Atomic Number Z=117. Phys. Rev. Lett. 104, 142502 (2010).
K. Morita, K. Morimoto, D. Kaji et al. Experiment on the Synthesis of Element 113 in the Reaction 209Bi(70Zn,n)278113. J. Phys. Soc. Jpn. 73, 2593 (2004).
K. V. Novikov, E. M. Kozulin, G. N. Knyazheva, I. M. Itkis, M. G. Itkis, A. A. Bogachev, I. N. Diatlov, M. Cheralu, D. Kumar, N. I. Kozulina, A. N. Pan, I. V. Pchelintsev, I V. Vorobiev, W. H. Trzaska, S. Heinz, H. M. Devaraja, B. Lommel, E. Vardaci, S. Spinosa, A. Di Nitto, A. Pulcini, S. V. Khlebnikov, Pushpendra P. Singh, Rudra N. Sahoo, B. Gall, Z. Asfari, C. Borcea, I. Harca, and D. M. Filipescu, Investigation of fusion probabilities in the reactions with 52,54Cr, 64Ni, and 68Zn ions leading to the formation of Z = 120 superheavy composite systems. Phys. Rev. C 120, 044605 (2020).
K. V. Novikov, E. M. Kozulin, G. N. Knyazheva, I. M. Itkis, A. V. Karpov, M. G. Itkis, I. N. Diatlov, M. Cheralu, B. Gall, Z. Asfari, N. I. Kozulina, D. Kumar, I. V. Pchelintsev, V. N. Loginov, A. E. Bondarchenko, P. P. Singh, I. V. Vorobiev, S. Heinz, W. H. Trzaska, E. Vardaci, N. Tortorelli, C. Borcea, and I. Harca. Formation and decay of the composite system Z = 120 in reactions with heavy ions at energies near the Coulomb barrier. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 84, 495 (2020).
E. M. Kozulin, G. N. Knyazheva, T. K. Ghosh, A. Sen, I. M. Itkis, M. G. Itkis, K. V. Novikov, I. N. Diatlov, I. V. Pchelintsev, C. Bhattacharya, S. Bhattacharya, K. Banerjee, E. O. Saveleva, and I. V. Vorobiev. Fission and quasifission of the composite system Z = 114 formed in heavy-ion reactions at energies near the Coulomb barrier, Phys. Rev. C 99, 014616 (2019).
E. Vardaci, M. G. Itkis, I. M. Itkis, G. Knyazheva, E. M. Kozulin. Fission and quasifission toward the superheavy mass region. J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 46, 103002 (2019).
E. M. Kozulin, A. A. Bogachev, M. G. Itkis, I. M. Itkis, G. N. Knyazheva, N. A. Kondratiev, L. Krupa, I. V. Pokrovsky, E. V. Prokhorova. The CORSET time-of-flight spectrometer for measuring binary products of nuclear reactions. Nucl. Exp. Tech. 51, 44 (2008).
E. M. Kozulin, G. N. Knyazheva, K. V. Novikov, I. M. Itkis, M. G. Itkis, S. N. Dmitriev, Yu. Ts. Oganessian, A. A. Bogachev, N. I. Kozulina, I. Harca, W. H. Trzaska, and T. K. Ghosh. Fission and quasifission of composite systems with Z=108−120: Transition from heavy-ion reactions involving S and Ca to Ti and Ni ions. Phys. Rev. C 94, 054613 (2016).
V. I. Zagrebaev, W. Greiner. Cross sections for the production of superheavy nuclei. Nucl. Phys. A 944, 257 (2015). .