Єдиний експеримент на GANIL розв’язав 50-річну загадку «гамма-горба» у ядерному поділі

Як працював експеримент

Команда бомбардувала мішень із берилію-9 пучком іонів урану-238, створюючи ядра кюрію-247, які зазнають поділу. Щоб одночасно зафіксувати, який саме уламок утворився і яке гамма-випромінювання він випускає, дослідники поєднали магнітний спектрометр VAMOS++ (який визначає масу та заряд кожного уламка) з масивом гамма-детекторів PARIS. Це дозволило в реальному часі, подія за подією, ідентифікувати кожен фрагмент і виміряти його високоенергетичний гамма-спектр .

Що виявили

Попередні дослідження могли вимірювати гамма-горб лише від сумішей різних джерел або окремих ізотопів. Цей експеримент є першим, який забезпечив ізотопну ідентифікацію надлишку для багатьох нейтрон-надлишкових продуктів поділу в одному вимірюванні . Дані показують, що інтенсивність гамма-горба значно змінюється від ізотопу до ізотопу залежно від надлишку нейтронів та структури оболонок поблизу двічі магічного ядра олово-132 .

Фізичне походження: пігмейний дипольний резонанс

Теоретичні розрахунки вказують на те, що принаймні частина надлишку походить від пігмейного дипольного резонансу (PDR) — м’якої дипольної моди, в якій зовнішній шар ядра, багатий на нейтрони (нейтронна шкіра), коливається проти протонно-багатого ядра . Сила PDR лежить нижче гігантського дипольного резонансу і є особливо вираженою в ядрах, далеких від долини стабільності . Цей зв’язок дає прямий експериментальний доступ до властивостей PDR у короткоживучих, нейтрон-надлишкових ядрах, які неможливо вивчити за допомогою звичайних фотон- або частинково-індукованих реакцій .

Значення для моделювання ядерних реакторів

Гамма-горб дає нехтуваний внесок у високоенергетичне фотонне випромінювання при поділі. Розрахунки для реакторів щодо тепловиділення, гамма-нагріву конструкційних матеріалів та проєктування захисту покладаються на точні спектри гамма-променів від поділу . Нове ізотопне картування забезпечує більш фізично обґрунтовану основу для гамма-компоненти в оцінених ядерних базах даних, що потенційно може покращити симуляції реакторної фізики та запаси безпеки .

Новий інструмент для вивчення екзотичних ядер

Експеримент демонструє, що реакції поділу можуть слугувати універсальним інструментом для одночасного утворення багатьох нейтрон-надлишкових ядер та вивчення їхнього PDR через гамма-розпад . Цей підхід відкриває новий канал для дослідження товщини нейтронної шкіри, поведінки енергії симетрії та колективних дипольних збуджень в екзотичних ядрах — величин, які також важливі для розуміння кори нейтронних зір та шляху r-процесу нуклеосинтезу .

Обмеження та наступні кроки

Опубліковані результати отримано з одного експерименту, а теоретичне приписування PDR ґрунтується на порівнянні з розрахунками ядерної структури. Хоча докази є вагомими, для підтвердження точної частки PDR у горбі та виключення інших внесків (наприклад, статистичного хвоста гігантського дипольного резонансу або M1-переходів) необхідні подальші експерименти на інших системах поділу та прямі (γ,γ′) вимірювання на тих самих ізотопах .