Ядра в лучах лазера - Гангрский Ю.П.
Скачать (прямая ссылка):
Столь большое время пребывания атомов в зоне лазерного излучения дает возможность уверенно регистрировать и идентифицировать каждый из них, причем
26
регистрируемый сигнал от одного атома будет значительно выше фонового. Это позволяет работать с очень низкими интенсивностями атомных пучков (до одного атома в час). Однако для задач ядерной физики важно определить число атомов не в зоне лазерного излучения, а в изучаемом образце. Как уже отмечалось выше, простой спектр имеют только свободные атомы. Поэтому атомы образца необходимо перевести из конденсированного в свободное состояние (обычно нагревом его) и направить их под луч лазера. В случае пучков нейтральных атомов значительная часть их теряется из-за изотропного испускания из источника, до лазерного пучка доходит не более долей процента. Для снижения потерь приходится использовать сложную систему направляющих диффузоров. Однако если получать из источника не атомы, а ионы, то можно воспользоваться направляющим и фокусирующим действием электромагнитных полей и довести эффективность доставки до 30—50%. Для ряда элементов (например, щелочных металлов) можно добиться и высокой эффективности ионизации (до 50—60%). Поэтому в зону лазерного излучения можно доставить из источника до 15—20% ионов. Если эти ионы пропустить через тонкую пленку или пары щелочного металла, то их можно нейтрализовать, т. е. превратить в нейтральные атомы и уже затем использовать для измерения с лазерным пучком.
Таким образом, используя резонансное лазерное излучение и транспортировку ионов с помощью электромагнитного поля, можно достигнуть предельно высокой чувствительности регистрации исследуемых атомов вплоть до нескольких десятков атомов в образце. Метод лазерного возбуждения оказывается сравнимым по чувствительности с ядерными методами, в которых производится регистрация осколков деления или ^-частиц, и может превосходить их, если используется регистрация (3- или у-частиц. Измеряя выходы долгоживущих или даже стабильных дочерних продуктов с помощью этого метода, можно по-новому подойти к проведению экспериментов по исследованию таких редких процессов, где выход исчисляется считанными атомами.
Одним из таких процессов является двойной ?-pac-пад, в котором ядро испускает одновременно два электрона (или позитрона) и изменяет свой электрический заряд на две единицы. Вероятность такого процесса
27
крайне мала (периоды полураспада превышают 1020 лет), реально он может наблюдаться лишь в тех случаях, когда исключено последовательное испускание двух электронов.
Значение исследований двойного ?-распада выходит далеко за пределы физики ядра. Результаты этих экспериментов позволяют судить не только о механизме ?-распада или свойствах ядер, но и о таких фундаментальных проблемах, как масса покоя нейтрино, сохранение лептонного заряда (к лептонам относятся электрон, ji-мезон, т-мезон и их античастицы, а также шесть видов нейтрино). Работы в этом направлении ведутся уже более 40 лет многими группами ученых, но пока они принесли очень скудные результаты, так как эксперименты исключительно трудоемки и сложны. Исследования идут в двух направлениях: измеряются совпадения двух электронов и определяется выход дочерних продуктов двойного ?-распада.
Положительные результаты гголучены пока лишь в опытах второго направления: по аномалиям изотопного состава геологических образцов можно предполагать, что ядра 82Se, 130Te, 128Te испытывают двойной ?-распад. Однако точное определение периода полураспада этих ядер наталкивается на целый ряд неопределенностей: возраст геологических образцов (а он исчисляется мил« лионами лет), возможные потери дочерних продуктов за это время, образование их в других процессах (глазным образом при взаимодействии космических лучей с окружающим веществом). Не удивительно поэтому, что результаты измерений заметно различаются между собой.
Повышение чувствительности измерений за счет использования лазерного излучения позволило бы работать со значительно меньшими количествами атомов продуктов двойного ?-распада, что существенно сократило бы время накопления этих продуктов. Тогда можно было бы проводить весь эксперимент в контролируемых условиях и избавиться от указанных выше неопределенностей.
Другой редкий процесс, в исследовании которого большие надежды возлагаются на лазерные методы исследования, — взаимодействие нейтрино с веществом* Особый интерес вызывает в последние годы проблема солнечных нейтрино, Проводимые на протяжении более
28
десяти лет опыты Р. Дэвиса (США) показали, что поток наиболее жестких нейтрино, возникающих при ?-распаде 8B и имеющих граничную энергию спектра 14 МэВ, в 3—4 раза ниже ожидаемого. Для объяснения этого явления был выдвинут ряд гипотез, учитывающих как условия в недрах Солнца (температуру, давление, наличие конвективных потоков), так и фундаментальные свойства нейтрино (например, их стабильность).
Опыт Дэвиса был основан на взаимодействии нейтрино с ядрами хлора
37Cl + v->37Ar 4- е~
и регистрации радиоактивного излучения, образующегося в реакции 37Ar. Использовался детектор, состоящий из 380 тыс. л четыреххлористого углерода (CCl4), помещенный на глубину около 4 км. В таком детекторе образовывалось несколько атомов 37Ar в день. Столь низкий выход продуктов реакции с нейтрино объясняется крайне малыми сечениями, составляющими 10~45— Ю-*42 см2. Это почти на 20 порядков меньше типичных сечений ядерных реакций. Поэтому успех опытов определяется выбором особо чувствительной методики, тщательным анализом фона.
