СПЕКТРОСКОПИЯ ТЯЖЕЛОГО ИЗОТОПА ГЕЛИЯ Hе Спектроскопия тяжелого изотопа гелия Hе...

Спектроскопия тяжелого изотопа гелия 7Hе...
В.А. ПЕЧКУРОВ, М.В. ТЕЛЬКУШЕВ, Б.А. ЧЕРНЫШЕВ, Т.Д. ЩУРЕНКОВА
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
СПЕКТРОСКОПИЯ ТЯЖЕЛОГО ИЗОТОПА ГЕЛИЯ 7Hе
Представлены результаты поиска возбужденных состояний тяжелого изотопа гелия 7Hе в реакциях поглощения
остановившихся -мезонов ядрами 10,11B. Результаты, полученные в трех каналах 11B(πˉ, pt)7He, 11B(πˉ, dd)7He и
10B(πˉ, рd)7He, согласуются между собой. В спектрах недостающих масс наблюдаются три узких низколежащих возбужденных состояния со следующими значениями энергий возбуждения: Ех1 = 3.0 МэВ, Ех2 = 4.9 МэВ, Ех3 = 6.7 МэВ. Указаний на существование возбужденного уровня в области Eх ~ 1 МэВ не обнаружено.
В настоящее время исследование легких нейтронно-избыточных изотопов гелия является
областью повышенной экспериментальной активности. Параметры этих экзотических ядер дают
возможность расширить наше понимание свойств ядерной материи в условиях аномально высокого отношения N/Z, а также тестировать существующие ядерные модели и нуклон-нуклонные
потенциалы.
Изотоп 7Не был обнаружен в 1967 году в реакции 7Li(t, 3Не) [1]. Основное состояние 7Не
(спин-четность Jπ = 3/2) оказалось несвязанным относительно распада на 6Не и нейтрон на
0.44 ± 0.03 МэВ и имело ширину 0.16 ± 0.03 МэВ. Впервые возбужденное состояние 7Не
(Eх = 2.9(3) МэВ, Г = 2.2(3) МэВ), наблюдалось в реакции подхвата нейтрона p(8Не, d)7Не [2].
Найденное состояние распадалось преимущественно на 4Не и три нейтрона. Авторы интерпретировали наблюдаемый уровень как Jπ = 5/2 состояние, представляющее собой систему из первого
возбужденного состояния 6Не(2+) и нейтрона на p1/2 орбите. Также было высказано предположение
о существовании в области низких энергий возбуждения состояния 7Не с квантовыми числами
Jπ=1/2, являющимся спин-орбитальным партнером основного состояния. Это состояние представляет собой систему из основного состояния 6Не(0+) и нейтрона на p1/2 орбите. Вероятно тот же
самый резонанс, как в работе [2], был найден в реакции 7Ве(15N, 17F)7Не (Eх = 2.95(10) МэВ,
Г = 1.9(3) МэВ) [3]. Кроме того, в этом эксперименте получено указание на широкое состояние
при Eх = 5.8(3) МэВ, с Г = 4(1) МэВ.
В настоящее время особый интерес вызывает вопрос о положении и квантовых числах первого возбужденного состояния 7He. В последние годы сразу в трех работах получены указания на
существование возбужденного состояния 7He в области Eх ~ 1 МэВ [4–6]. Наблюдаемому уровню
авторы приписывают Jπ =1/2 и интерпретируют это уровень как спин-орбитального партнера основного состояния. Столь низкая энергия возбуждения является вызовом основным ядерным моделям, которые предсказывают положение этого уровня при существенно более высоких энергиях
Eх ~ 3 МэВ. Наиболее отчетливо усиление в спектре возбуждений в области Eх ≤ 1 МэВ наблюдалось в реакции фрагментации 8Не на углеродной мишени [4]. Однако в последующем эксперименте на мишени из жидкого водорода [7] подобный эффект не наблюдался, что может свидетельствовать о неоднозначной интерпретации экспериментальных данных. Авторы работы [7] допускают, что искажение спектра, имитирующее низколежащее возбужденное состояние, может быть
вызвано либо процессом многократного рассеяния 8Не, либо фрагментацией ядер углерода. Экспериментальные данные работ [5, 6] имеют относительно невысокую статистическую обеспеченность. При этом в работе [5] не указана точная формула распределения Брейта–Вигнера, использованная для описания основного состояния. Пороговое распределение Брейта–Вигнера имеет
хвост в сторону высоких энергий, который может отчасти объяснить избыток событий в области
энергий возбуждения Eх ≤ 2 МэВ. В работе [7] основным нерезонансным процессом, вносящим
вклад в область Eх ~ 1 МэВ, является квазисвободное выбивание одного из нуклонов. Неопределенности в величине сечения данного процесса затрудняют однозначную интерпретацию экспериментальных данных. Таким образом, вопрос о существовании возбужденного состояния 7He в
области Eх ~ 1 МэВ остается открытым.
В работах [8, 9] для изучения 7Не выбраны реакции, обладающие ярко выраженной селективностью. В канале d(6Не, р)X преимущественно заселяются основное и 1/2 состояния, тогда как
в реакции d(8Li, 3Не)X основное и 5/2 состояния. Регистрация изотопов гелия 4,6Не на совпадение
соответственно с протонами и 3Не помогает идентифицировать наблюдаемые уровни. В реакции
d(6Не, р) состояние Eх ≈ 2.6 МэВ, Г ≈ 2.0 МэВ наблюдается в совпадении с 6Не, что свидетельствует в пользу Jπ = 1/2. Напротив, в канале d( 8Li, 3Не)X структура проявляется в спектре, измеренном
на совпадение с 4Не при Eх ~ 3.0 МэВ, что может служить указанием на квантовые числа Jπ = 5/2
для этого уровня, лежащего несколько выше, чем уровень с Jπ = 1/2. Признаков низколежащего
Спектроскопия тяжелого изотопа гелия 7Hе...
возбужденного состояния 7Не в этих реакциях не было получено. Наконец, хотелось бы отметить,
что ни в одном эксперименте состояния 1/2 и 5/2 одновременно не наблюдались.
Расчет спектра возбуждений 7Не был выполнен в целом ряде работ [10–17]. Обобщая результаты, можно отметить следующие особенности. Все предсказанные уровни лежат в области
энергий возбуждения Eх < 10 МэВ. Большинство работ предсказывает одинаковый порядок состояний: Jπ = 3/2 (основное состояние), 1/2, 5/2, 3/2 и, возможно, очень широкое 3/2. Исключение
составляют только работы [12], [16] и [17]. В [12] фазовые сдвиги проявляют резонансное поведение только в 1/2 и 5/2 каналах. В [16] происходит инверсия 5/2 и 1/2 состояний. Работа [17]
является единственной, в которой предсказывается существование уровня Jπ = 7/2. Следует отметить, что в недавних работах [15-17] получены крайне низкие значения энергии возбуждения для
первого возбужденного состояния 7Не: Eх  1 МэВ. В остальных работах предсказания для первого возбужденного состояния лежат в диапазоне Eх от 2.3 до 3.3 МэВ.
Эксперимент. В настоящей работе представлены экспериментальные результаты по спектроскопии 7Не, полученные на канале пионов низкой энергии Лос-Аламосской мезонной фабрики
(LAMPF) c помощью многослойного полупроводникового спектрометра [18]. Заряженные частицы, образующиеся при поглощении остановившихся пионов ядрами, регистрировались двумя полупроводниковыми телескопами, расположенными под углом 180º относительно друг друга.
Энергетическое разрешение для однозарядных частиц (p, d, t) было лучше 0.5 МэВ. Поиск состояний 7He проводился в спектрах недостающих масс (ММ) для каналов 11B(, pt)7He, 11B(, dd)7He
и 10B(, рd)7He. При регистрации пар однозарядных частиц разрешение по MM слабо зависит от
конкретного канала реакции и составляет величину ~ 1 МэВ. Ошибка в абсолютной привязке шкалы не превышала 0.1 МэВ. Количественное определение примесей в мишенях выполнялось с помощью выделения пиков, соответствующих двухчастичным реакциям на ядрах примеси. Для мишени 11B основной примесью является 12С (8 %), для мишени 10B11B (15 %). Вклад остальных неконтролируемых примесей не превышал 1 %. Статистическая обеспеченность данных на 11B существенно выше по сравнению с 10B, так как время измерений на мишени 11B приблизительно в 5 раз
превышает время измерений на мишени 10B. В эксперименте исследовался широкой диапазон
энергий возбуждения 7He вплоть до Eх ≈ 60 МэВ, однако в настоящей работе мы ограничимся областью Eх < 10 МэВ. Более подробно спектрометр и экспериментальная методика описаны в работе [18].
Результаты. Измеренные спектры ММ для трех каналов образования 7He 11B(, pt)7He,
11

B( , dd)7He и 10B(, рd)7He представлены на рис. 1,а,б,в соответственно. За начало отсчета принята сумма масс основного состояния 6Не и нейтрона. Во всех спектрах в области энергий ниже
10 МэВ видны структуры, которые свидетельствуют о существовании возбужденных состояний
7
He.
Сначала обратимся к наиболее статистически обеспеченному каналу реакции 11B(, pt)7He.
Для описания экспериментального спектра в области энергий возбуждения Eх < 10 МэВ, помимо
основного, были введены три узких возбужденных состояния (рис. 1,а). Энергетическое разрешение не позволяет определить ширины найденных уровней. Можно только сказать, что ширины
всех трех состояний не превышают 0.5 МэВ. Энергии возбуждения наблюдаемых состояний приведены в таблице.
Спектр возбуждения изотопа 7He, в МэВ
B(, pt) 7He
B(, dd) 7He
11
11
B(, рd) 7He
10
3.3 ± 0.15
2.9 ± 0.3
2.9 ± 0.2
5.05 ± 0.1
4.6 ± 0.3
4.9 ± 0.2
7.0 ± 0.3

6.55 ± 0.1
В реакции B( , dd) He структуру в области ММ ~ 4 МэВ мы сначала описываем в предположении одного состояния. Полученные параметры Eх ≈ 3.1 МэВ, Г ≈ 2.0 МэВ находятся в полном
согласии с результатами работ [2] и [3]. Однако распределение Брейта–Вигнера недостаточно точно воспроизводит экспериментальную структуру. В рамках гипотезы двух состояний описание
спектра несколько улучшается (рис. 1,б), однако критерий χ2 не позволяет отбросить и гипотезу
одного состояния. Как видно из таблицы, параметры первых трех возбужденных уровней, найденных в реакциях 11B(, pt)7He и 11B(, dd)7He, совпадают в пределах погрешности.
11
7
Спектроскопия тяжелого изотопа гелия 7Hе...
Рис. 1. Спектры недостающих масс для реакций:
а – 11B(, pt)7He; б – 11B(, dd)7He; в – 10B(, рd)7He; сплошные тонкие линии – распределения
по Брейту–Вигнеру; 1 – полное описание; 2 – суммарное распределение по фазовому объему;
3 – фон случайных совпадений
Предварительные результаты по наименее статистически обеспеченному каналу реакции
B(, pd)7He были опубликованы нами в [19]. Найденное состояние с Eх = 2.8(0.2) МэВ,
Г ≈ 2 МэВ согласуется с результатами работ [2] и [3]. В настоящей работе проведен более глубокий анализ экспериментального спектра. Для описания спектра в области низких энергий были
введены два состояния Eх = 2.9 МэВ и Eх = 4.9 МэВ (см. рис. 1,в), что хорошо согласуется с двумя
предыдущими каналами реакции. Состояния с Eх ~ 7 МэВ в этом канале реакции не обнаружено,
что может быть связано с различной селективностью реакций. Тот факт, что в данной области
энергий находится пик, обусловленный реакцией на примеси 10B, также препятствует выявлению
уровня.
Обсуждение. Для описания экспериментальных спектров нам не потребовалось вводить
возбужденные состояния 7He с энергией возбуждения меньшей 2.5 МэВ. Таким образом, результаты наших измерений не подтверждают существования состояния с энергией возбуждения
~ 1 МэВ, о котором заявляют в работах [4-6]. Однако для проверки гипотезы о существовании
возбужденного состояния 7Не с аномально низкой энергией возбуждения было выполнено альтернативное описание экспериментальных спектров, в которое включен найденный в работе [4]
уровень Eх = 0.55 МэВ, Г = 0.75 МэВ. Верхняя граница для вклада этого состояния в измеренные
спектры не превышает 15 % для реакции 11B(, pt)7He, 10 % для реакции 10B(, рd)7He и 5 % для
реакции 11B(, dd)7He.
10
Спектроскопия тяжелого изотопа гелия 7Hе...
Средневзвешенные значения энергий возбуждения 7He по трем каналам реакции составляют
3.0 ± 0.2 , 4.90 ± 0.15 и 6.70 ± 0.15 МэВ. Суперпозиция двух первых состояний может воспроизвести уровни вблизи 3 МэВ, найденные в работах [2] и [3]. Широкие структуры, наблюдаемые в
этом диапазоне энергий возбуждения в работах [3] и [7], также можно объяснить суперпозицией
найденных нами уровней. Таким образом, наши результаты не противоречат данным, полученных
в других экспериментах с меньшей статистической обеспеченностью.
Реакции поглощения пионов не проявляют ярко выраженной селективности, что затрудняет
идентификацию найденных состояний. Однако тот факт, что большинство теоретических работ
предсказывает в области энергий возбуждения Eх < 10 МэВ три возбужденных уровня следующих
в одном и том же порядке, позволяет нам предположить, что наиболее вероятными значениями
квантовых чисел для наблюдаемых нами состояний являются Jπ = 3/2 (основное состояние), 1/2,
5/2, 3/2.
Заключение. Итак, в нашей работе впервые в рамках одного эксперимента обнаружены сразу три узких низколежащих возбужденных состояния 7He, причем результаты, полученные в трех
каналах реакции, не противоречат друг другу. Энергии возбуждения этих узких состояний равны
соответственно 3.0 ± 0.2 , 4.90 ± 0.15 и 6.70 ± 0.15 МэВ. Наиболее вероятными значениями спина и
четности для найденных нами возбужденных состояний являются 1/2, 5/2 и 3/2. В наших данных отсутствуют какие-либо указания на существование возбужденных уровней в области Eх < 2.5
МэВ. Все структуры, наблюдаемые в других экспериментах в диапазоне 2 МэВ < Eх < < 10 МэВ,
могут быть объяснены суперпозицией найденных нами состояний.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Stokes R.., Young P. // Phys. Rev. Lett. 1967. V. 18. P. 611.
2. Korsheninnikov A.A., Golovkov M.S., Ozawa A. et al. // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. P. 3581.
3. Bohlen H., Kalpakchieva R., Blazevic A. et al. // Phys. Rev. C. 2001. V. 64. P. 024312.
4. Meister M., Markenroth K., Aleksandrov D. et al. // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 88. P. 102501.
5. Skaza F., Lapoux V., Keeley N. et al. // Phys. Rev. C. 2006. V. 73. P. 044301.
6. Ryezayeva N., Baumer C., van den Berg A. et al. // Phys. Lett. B. 2006. V. 639. P. 623.
7. Aksyutina Yu., Johansson H., Aumann T. et al. // Phys. Lett. B. 2009. V. 679. P. 191.
8. Wuosmaa A., Rehm K., Greene J. et al. // Phys. Rev. C. 2005. V. 72. P. 061301(R).
9. Wuosmaa A., Schiffer J., Rehm K. et al. // Phys. Rev. C. 2008. V. 78. P. 041302(R).
10. Wolters A., van Hees A., Glaudemans P. // Phys. Rev. C. 1990. V. 42. P. 2062.
11. Pieper S., Wiringa R. // Phys. Rev. C. 2004. V. 70. P. 054325.
12. Wurzer J., Hofmann H. // Phys. Rev. C. 1997. V. 55. P. 688.
13. Navratil P., Barrett B. // Phys. Rev. C. 1998. V. 57. P. 3119.
14. Volya A.., Zelevinsky V. // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. P. 052501.
15. Myo T., Kato K., Ikeda K. // Phys. Rev. C. 2007. V. 76. P. 054309.
16. Hagen G., Hjorth-Jensen M., Vaagen J. // Phys. Rev. C. 2005. V. 71. P. 044314.
17. Canton L., Pisent G., Amos K. et al. // Phys. Rev. C. 2006. V. 74. P. 064605.
18. Gornov M.G. Gurov Yu.B., Lapushkin S.V et al. // Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. A. 2000. V. 446.
P. 461.
19. Горнов М.Г., Гуров Ю.Б., Лапушкин С.В. и др. // Изв. Акад. Наук. Сер. Физ. 1998. Т. 62. С. 2209.