Проекты ХХI века

В экспериментах на Фабрике СТЭ

Фабрика сверхтяжелых элементов – это передовой исследовательский комплекс, задающий новые стандарты в области синтеза и изучения свойств сверхтяжелых элементов

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 не известных ранее изотопов, указывает на то, что это передовой исследовательский комплекс, задающий новые стандарты в области синтеза и изучения свойств сверхтяжелых элементов.

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. Рассказывает ученый секретарь ЛЯР Александр КАРПОВ.

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. 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. 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 случаях 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.

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 не известных 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 те, с которыми мы работали до сих пор. И этого тоже удалось добиться.

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.

В начале 2023 года в ЛЯР исследование реакции кальций-торий было продолжено, но уже при большей энергии пучка. В результате удалось получить еще одно событие распада дармштадтия-276, а также синтезировать новый изотоп этого элемента, а именно дармштадтий-275.

Циклотрон ДЦ-280

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.

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.

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 столь 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 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).