Времена жизни возбужденных состояний и структура высокоспиновых полос в околомагических ядрах 118Te, 119I, 141Eu, 142, 144Gd

Прогресс экспериментальной техники в начале 70-х годов, в частности появление Ge (Li), а затем и сверхчистых германиевых (HPGe) детекторов, привел к бурному развитию у-спектроскопии на пучках тяжелых ионов и а-частиц. С того времени накоплен большой объем экспериментальной информациио таких характеристиках возбужденных состояний как энергия (Е*), спины и четности (Iя), а также интенсивности (1Г) и мультипольности (ст, Х) у-переходов. Это позволило существенно продвинуться в понимании структуры высокоспиновых и высоковозбужденных состояний ядер и уже к 1980;м гг. привело к обнаружению и объяснению ряда качественно новых явлений, связанных в частности, с взаимодействием коллективных и квазичастичных (2-х, 3-х, 4-х) возбуждений [1,2]. Что же касается электромагнитных свойств ядерных: уровней, таких как магнитные дипольные ц и электрические квадрупольные Q моменты, времена жизни х и связанные с ними вероятности электромагнитных переходов между уровнями В (а Д), то такая информация, как в те годы, так и сейчас существенно беднее. В то же время она исключительно важна, поскольку электромагнитные свойства переходов крайне чувствительны к выбору модели, претендующей на адекватное описание структуры ядра. Поэтому систематические измерения электромагнитных характеристик ядерных уровней имели и имеют решающее значение дляразвития теории ядра. Для большинства ядер сведения о временах жизни неполны, а чаще всего они отсутствуют. Это объясняется тем, что значения х уровней, заселяемых в ядерных реакциях, чаще всего лежат в диапазоне 10″ 14 -г 10″ 12 с. Задача измерения таких малых времен нетривиальна и ее решение требует привлечения сложных методик и современных средств эксперимента. В таком диапазоне наиболее информативными являются методы, основанные на использовании эффекта Допплера — метод ослабления допплеровского смещения (ОДС) и плунжерный (ПМ).

Допплеровские методы у-спектроскопии развивались в циклотронной лаборатории ФТИ им. А. Ф. Иоффе начиная с 1970 гг., сначала в приложении к кулоновскому возбуждению ядер [3], а затем и к реакциям, вызываемыми а-частицами и, тяжелыми ионами, идущими через стадию составного ядра. Необходимое программное обеспечение было разработано как для метода ОДС [4], так и ПМ [5], и использовалось для измерений х на пучках циклотронов ФТИ, ИЯИ (Киев), ИЯФ (Прага), ИЯАФ (Россендорф) [6-г12]. В начале 1980 гг. на основе новых теоретических и методических разработок было создано новое программное обеспечение, основанное на прецизионных вычислениях форм допплеровских у-линий как для ОДС, так. и ПМ, используя моделирование методами Монте-Карло всех физических процессов, начиная от образования и распада составного ядра и вплоть до регистрации у-квантов [ 13, 14]. Разработка и улучшение этого программного обеспечения происходило в дальнейшем постоянно I в соответствии с новыми задачами и модернизацией" экспериментальной техники [15-г21].

Данные о полных временах жизни возбужденных состояний совместно с данными об относительных интенсивностях у-переходов и отношении смеси мультипольностей 5, характеризующие определенный переход, позволяют определить приведенные вероятности переходов В (а, Х). В подавляющем большинстве случаев это электрические квадрупольные-Е2 и магнитные дипольные Ml переходы. Коллективным, в частности вращательным степеням свободы, как правило, соответствуют квадрупольные полосы уровней (т.н. развязанные — «decoupled») с последовательностью уровней AI = 2 h. Полосы, построенные наквазичастичных возбуждениях, могут быть как квадрупольными, так и дипольными с последовательностью уровней AI = 1 h. В 1980;хг 1990;х гг. на основе новых возможностей допплеровской методики систематически исследовались как квадрупольные, так и магнитные дипольные полосы в переходных и околомагических ядрах массовой области, А ~ 80 -г 120. Переходные ядра являются важным объектом для выяснения роли различных мод возбуждения в формировании ядерной структуры и механизма их связи, поскольку в них сложным образом переплетаются как одночастичные движения, так и коллективные колебания и вращения. По этой причине одним из ¦ основных объектов. этих исследований i было изучение взаимодействия между коллективными' модами возбуждений, построенными на основных состояниях четно-четных ядер и полосами, построенными на 2-квазичастичных возбуждениях в ядрах массовой области, А ~ 801 [224−24]. Одним из следствий — такого взаимодействия является нерегулярность энергетической структуры, выражающейся в характерном изгибе зависимости от спина момента инерции J (I) = l/(d2E/dI2). Наряду со ставшей к настоящему времени общепринятой интерпретацией этого явления («backbending»), основанной на концепции пересечения. полос в рамках оболочечной версии модели принудительного вращения (Cranking Shell Model), А. Д. Ефимовым и В. М. Михайловым был разработан полумикроскопический вариант модели взаимодействующих бозонов МВБ 1 (ШМ1) [24-f29]. Новый теоретический подход позволил не только объяснить особенности энергетической структуры, но s и успешно интерпретировать значения В (Е2) в районе нерегулярности, полученные на основе измеренийт. Впоследствии этот подход, был распространен на переходные ядра: в области, А =100 [30,31] и на т.н. «внедренные» (intruder) полосы в полумагических (Z = 50) изотопах олова, построенные на 4-квазичастичных возбуждениях [32-г35]. Другой ветвью исследований переходных и околомагических ядер были полосы, построенные на 2−3 квазичастичных возбуждениях нечетных и дипольные полосы нечетно-нечетных ядер, где впервые были обнаружены быстрые Ml переходы и интерпретированы на основе модифицированного полуклассического подхода Дэнау-Фрауэндорфа (Donau-Frauendorf) [36ч48].

К началу исследований, включенных в настоящую диссертацию, сложилась следующая ситуация. Все эксперименты, на которых были основаны вышеописанные работы, проводились с одним или двумя Ge (Li) или (HPGe) детекторами. Техника у-у совпадений, приводит в этом случае к спектрам с малой статистикой, которые использовалась лишь изредка для построения или уточнения схем распада, но практически не подходили: для измерений т допплеровскими методами. Поэтому область исследований ограничивалась сравнительно невысокими спинами (I ~ 12+16h). Между тем «передний фронт» физики высокоспиновых состояний уходил все дальше в область высоких и сверхвысоких спинов, вплоть, до пределов, определяемых образованием и устойчивостью составного ядра (I" ~ 50-^70h). Это стало возможным благодаря созданию многодетекторных систем, состоящим из десятков и даже сотен HPGe детекторов! большого объема, оснащенных соответствующей! ядерной электроникой и компьютерной техникой, а также развитию методики многомерных у-у-у. совпадений и совпадений с другими продуктами реакций. Несмотря на высокую стоимость (до сотен миллионов долларов) сейчас в мире работают десятки подобных установок, но в странах бывшего СССР нет ни одной. Поэтому единственным путем для: продолжения исследований и применения накопленного опыта стало международное сотрудничество. В настоящее время экспериментальные исследования В: областифизики высокоспиновых состояний проводятся? исключительно международными коллективами и часто не имеет значения где и когда был проведен тот или иной • эксперимент — информация, полученная в течении 1 — 2 недельного эксперимента настолько огромна, что ее обработка может занимать годы. В особенности это касается измерений т допплеровскими методами, где получение результатов наиболее сложно и трудоемко. По вышеизложенным причинам первая часть настоящей работы (исследование ядер 118Те и 1191) была выполнена в ФТИ и в.

Варшавском Университете, используя спектры, полученные на 20-детекторной установке NORDBALL в эксперименте, проведенном в 1995 г. в Дании. Вторая часть работы (144Gd) была также связана с обработкой эксперимента, который уже был проведен на 40-детекторной установке GASP в Италии в 1997 г. В отличие от первых двух третья часть работы (l41Eu и l42Gd) с самого начала планировалась и проводилась при непосредственном участии автора. Эксперимент был проведен в Страсбурге (Франция) на крупнейшей в мире 236-детекторной установке EUROBALL IV. Вся обработка этого эксперимента, начиная с сортировки и энергетической калибровки всех 236 детекторов, проводилась в течение последних двух лет в Юлихе (Германия).

Первая часть работы являлась непосредственным продолжением (как в смысле методики, так и в смысле интерпретации результатов) и реализацией предыдущего опыта исследований времен жизни высокоспиновых состояний околомагических ядер в области Z ~ 50. Ядра U8Te (Z = 52) и ll9I (Z = 52) имеют равное число нейтронов N = 66, близкое к середине нейтронной оболочки 50+82. Поэтому изменение коллективных свойств должно зависеть от Z, причем, если мерой коллективности в четно-четных изотонах могут служить энергетические промежутки между уровнями1 полосы, построенной на основном 0+ состоянии и значения В (Е2), то в нечетныхсоответствующие характеристики полос, построенных на протонной конфигурации 7ihj½. Рис. l. a показывает резкое изменение коллективных свойств ядер при переходе от Z = 52 к Z = 54 с точки зрения энергетической структуры, однако значения В (Е2) для внутриполосных переходов на момент начала наших исследований не были известны ни для и91, ни для четно-четных соседних ядер И8Те и 120Хе. При переходе от Z = 52 к Z = 54 значения В (Е2), как ожидалось, должны существенно возрасти, но какими они окажутся для квадрупольных полос Iболее похожими на полосы в 118Те или 120Хепредстояло выяснить. Времена жизни для 120Хе были специально для этой цели изучены в ИАЭ Японии на установке GEMINI [49], в то время как 118Те и I изучались в настоящей работе [50-г55]. Сложную структуру квадрупольных полос П91 иллюстрирует Рис. 1 В, для которых нами было получено ~ 30 значений т. Сравнение свойств квадрупольных полос 1191 с данными по 120Хе и П8Те, где было измерено ~ 10 значений, т, а также анализ в рамках новой микроскопической версии МВБ1, в которую был включен учет 2-квазичастичных состояний [594−62] показали, в частности, что коллективные свойства протонной конфигурации 7th}I/2 в П91 гораздо ближе к 120Хе, чем а).

2.0 1.5 U.

1 f 1.0 ш.

0,5.

0.0.

N = 66.

•19/2' азд-2312.

6*.

Ш?' 4* '**,.

-, 19/2'.

19/2'.

Л.

4*.

11/2' о* 11/2 0* 11/2 нб&bdquomc. us— in. iiov lii^, oSn 5iSb h1^ я1 мХе «Cs.

6*.

4* Г.

Ba t/r Г".

WM.

2W Г aa-. but.. i.

•nfr.

1ЭЛ*.

Рис. 1. а) Полосы, построенные на 11/2″ состояниях Otgn/2)1 в нечетных ядрах и полосы, построенные на основных состояниях четных ядрер с числом нейтронов N = 66 [30,31]. Ь) Квадрупольные полосы в 1|91. с) Дипольные полосы ич1, связанные с {Kgm)~] конфигурацией. к 118Те и наоборот, конфигурации ближе к 11^е [54]. Кроме того, квадрупольные полосы 1191- интерпретировались нашими польскими коллегами как трехаксиальный ротатор в рамках модифицированной версии модели Давыдова-Филлипова [63-г68]. Кроме квадрупольных полос особый интерес представило изучение полос в 1191, связанных с конфигурацией и построенных на ней 3-квазичастичных дипольных полос (Рис. 1с). В части из этих полос были обнаружены быстрые Ml переходы, которые удалось интерпретировать, аналогично ранее исследованным 3-квазичастичным дипольных полосам, на основе модифицированного полуклассического подхода Дэнау-Фрауэндорфа [36]. Новой в работе была успешная попытка полуклассической интерпретации полос, построенных на одночастичных конфигурациях, как результата выстраивания углового момента квазипротонной дырки вдоль оси коллективного вращения [51].

Объектами исследования во второй и третьей: частях нашей работы были околомагические ядра 142,144Gd с Z = 64 и 141Еи с Z = 63 (в отличие от нейтронов, где N = 64 соответствовало бы примерно середине оболочки, протоны с Z = 64 образуют по ряду параметров практически замкнутую оболочку). В этой области соседствуют как хорошо деформированные, так и почти сферические ядраодновременно в одном ¦ ядре могут сосуществовать как супер-, так и слабодеформированные аксиально-симметричные или трехаксиальные формы, а также выраженные квадрупольные и дипольные полосы различной природы. Это иллюстрирует Рис. 2, где представлены: типичные полосы в деформированном 158Ег и околомагическом 147Gd (а), спектр ядра 168Hf с выраженной равновесной деформацией (Ь), а также спектры изученных нами изотопов Gd с Z = 64, N = 78 © и N = 80 (d) [69−7-71]. Последние, как видно из рисунка, кардинально меняются с изменением N по мере удаления от замкнутой нейтронной оболочки N = 82, отражая, по-видимому, резкое возрастание деформации. До наших исследований времена жизни в этих ядрах не были известны вовсе, за исключением нескольких изомерных состояний. Между тем их измерение представляло значительный интерес, как для квадрупольных, так и для дипольных полос. Основным мотивом для исследований квадрупольных полос в 142,144Gd была проверка гипотезы, что эти полосы соответствуют трехаксиальной деформации [69]. В ядре 142Gd это три низколежащие квадрупольные полосы: основная полоса и две полосы, построенные на изомерных 2-квазичастичных состояниях со спином 10+, соответствующих vhjy2 и яЬ^ конфигурациям. В ядре 144Gd [71] квадрупольные полосы построены на 4-квазичастичном состоянии 20+. В настоящее время для описания трехаксиальности чаще всего используется вариант модели принудительного вращения, в которой ядро рассматривается во вращающейся системе координат. Решение уравнения Шредингера с соответствующим гамильтонианом (Routhian) при заданной частоте вращения со выражается как функция параметров деформации Ew (P, y) [74]. Минимумы на двумерной энергетической поверхности (Total Routhian SurfaceTRS) соответствуют ядернымуровням, а найденные таким образом для каждого уровня параметры (Р, у) позволяют вычислить квадрупольный момент Q и, тем самым, значения В (Е2) для переходов внутри полосы. Предсказывается, что квадрупольные полосы в ядрах 142,144Gd должнысоответствуют хорошо деформированным, триаксиальным минимумам? [69]. Расчеты в рамках TRS модели удовлетворительно описывают свойства заведомо деформированных ядер, таких как, например, — I68Hf (Рис. 2Ь), однаковопрос о применимости этого подхода к околомагическим ядрам оставался открытым. С другой стороны, разработанный А. Д. Ефимовым и В. М. Михайловым полумикроскопический вариант МВБ1, который явно не вводит понятие деформации (а тем более трехаксиальной), показал, как это обсуждалось выше, свою работоспособность в области переходных и полумагических ядер с Z ~ 50 и представлялось интересным его распространение, на область Z ~ 64. Эти два подхода в определенном смысле диаметрально противоположны и мы предполагали их сопоставление на основе измерения времен жизни в квадрупольных полосах 142,144Gd. Главный результат этого сопоставления состоит в том, что оба подхода до определенной степени описывают эксперимент, но если МВБ1, оперируя значительным числом параметров, оказалась способной? детально воспроизвести энергетическую структуру и значения В (Е2), то расчеты в рамках TRS, уступая МВБ 1 в деталях и практически не содержа параметров, тем не менее правильно предсказывает поведение величины динамического квадрупольного момента в полосе. По видимому, современные теоретические подходы еще только «нащупывают» пути адекватного описания реальности, освещая только отдельные стороны такой сложного объекта, каким является атомное ядро.

Особое и, в определенном смысле, центральное место в настоящей работе занимают исследования времен жизни уровней дипольных полос в 141Еи ш 142Gd. Именно постановка главным образом этой задачи, и определило, в условиях высокой конкуренции, выделение финансовых средств на' исследования: в Германии и проведение эксперимента на установке EUROBALL. В общих чертах интерес к проблеме обусловлен следующим: В полумагических изотопах свинца (Z = 82) были, открыты дипольные полосы [754−77], обладающие следующими специфическими! свойствами:

ElMcV).

8−7625 (30 1.

0918 т (ЗЛ 9*996 j3Cl 32*.

9−1153 31″ 9−500*. 30*.

6−1986 29″ .

76 620 28*.

7−3V78 ГГ.

6−5669 25″ «>873 26*.

5−8SAA 23″ VRIi. Г? 2fc*.

5−1981 —- SCi.68 ?Cf 5−1236 27*.

7ВЗ. «Й97 19» 4−3218 20*.

17″ tf 3−8317 18*.

3*4.19 >6228.

15 >3097 16*.

93 75 13″ W383 ^ 2−8568 v.*.

2-W36 -gSaas 12'/.

144 64.

Gd.

80 d).

Single particle sSr.

Super-deformed.

Quadrupole.

Dipole }.

HV vki. Д f m иг.

Рис. 2. а) Типичные полосы в деформированном (Ег) и около-магическом (l47Gd) ядрах. Ь) Спектр деформированного ядра 168Hf. с) и d) Спектры изотопов Gd с N=78 и N=80.

1. Последовательность уровней в полосах, начинающихся с энергии Ео приблизительно подчиняется параболическому закону: Е (1)—Ео~ A (I— lof.

2. Полосы состоят из сильных Ml переходов между уровнями с АI = 1 и очень слабых.

Е2 переходов между уровнями с Д/ = 2, что дает в результате большую величину.

2 2 отношения В (М1УВ (Е2) > 30 fr/feb), в то время как в хорошо деформированных.

J 7 ядрах это значение обычно < 1 ц /У (еЬ).

3. Приведенные вероятности магнитных дипольных Ml переходов имеют значения В (М1) ~ 2 -5−10 ц n, максимальные в начале полосы и резко уменьшающиеся к концу.

4. Полосы характеризуются малым параметром деформации |е| ~ 0.95/3 < 0.1.

В пределе, когда деформация отсутствует и квантовомеханическая симметрия запрещает обычное вращение, существование квазивращательных полос потребовало объяснения. Оно состояло в том, что помимо деформации существует и другая возможность определения ориентации в пространстве: магнитный дипольный момент. Поэтому обнаруженные полосы было предложено рассматривать как проявление квантового вращения магнитного диполя и, соответственно, назвать этот новый вид вращения «магнитным вращением» [80]. В противоположность вращению сильно деформированных ядер, имеющему коллективный характер, в магнитном вращении принимает участие только несколько квазичастиц, занимающих орбитали с большим угловым моментом j. Таким образом, можно сказать, что в случае магнитного вращения ориентация ядра обусловлена анизотропией в распределении тока, тогда как ориентация для сильно деформированных: ядер описывается распределением плотности. Наблюдение регулярных вращательных полос не обязательно означает появление коллективного движения. Однако наличие слабой сплющенной (oblate) деформации оказалось все же необходимым условием существования магнитновращательных полос. Дело и том, квазичастицами, занимающих орбитали с большим угловым моментом j, могут быть как протоны, так и нейтронные дырки, и слегка деформированный средний* потенциал ядра обеспечивает выстраивание протонов в одну группу с моментом jn, а нейтронных дырок в другую, с моментом jv. Эти группы в дальнейшем для простоты будут называться протонными и нейтронными квазичастицами. Рис. За иллюстрирует картину магнитного вращения с участием таких квазичастиц, а Рис Зв соответствующую схему угловых моментов по отношению к оси симметрии z деформированного остова. Угол 0 между j, и jv возникает в результате баланса между силами Кориолиса, которые пытаются выстроить эти два вектора вдоль оси вращения, и возвращающей силы слегка деформированного потенциала, пытающейся удержать эти вектора под углом 90°. По мере увеличения частоты вращения со угол 0 уменьшается, так как начинают преобладать силы Кориолиса, пропорциональные со, а полный спин /, соответственно растет. Этот процесс был назван «механизмом ножниц» («Shears mechanism»), так как это движение подобно закрытию лезвий ножниц [81, 82]. В условиях слабой деформации угол ср между полным, угловым моментом / и одной из главных (principal) осей эллипсоида сохраняется, что соответствует картине т.н. «равномерного» (uniform) наклонного вращения (Tilted Axis Cranking — ТАС). При сильнойдеформации вектор коллективного вращения R направлен вдоль оси х, перпендикулярной оси симметрии, так что полный угловой момент 7 выстраивается вдоль х (Principal Axis CrankingРАС). В предельном случае, описанном в полуклассическом приближении Ф. Дэнау и С. Фрауэндорфом [36] деформация удерживает вектора j, и jv в перпендикулярном положении [83], поэтому вектор 7 увеличивается и наклоняется к оси х только за счет роста R. На Рис. Зс показано сравнение хорошо известного коллективного вращения сильнодеформированных ядер с магнитным вращением. В настоящее время разработаны различные варианты теории, описывающие магнитное вращение на микроскопическом уровнеэто, например, т.н. — ТАС модели [79, 81]. В частности, с помощью ТАС удалось, удовлетворительно описать поведение В (М1) вдоль магнитовращательных полос [84, 85], как это иллюстрирует Рис. 3d.

В классическом приближении поведение В (М1) можно объяснить зависимостью В (М1) от суммарного магнитного момента квазичастиц: В (М1) ~ цх [77, 86, 87]. В случае, проиллюстрированном на Рис. Зв, Цх = (Ц1)у + (ц±)л, где Цх — проекции магнитных моментов на ось, перпендикулярную полному угловому моменту, пропорциональные jx: ц±- = g ji. Поскольку эффективные g-факторы для нейтронной и протонной компонент противоположны по знаку, так же как и проекции ji, то (|i±)v и (|Лх)л оказываются одного знака, обуславливая когерентное усиление В (М1). По мере ТАС-вращения эффект ножниц приводит к быстрому уменьшению 0V, 0Я и, соответственно, (Цх)у, (ц±)лВ результате значения В (М1) резко падают вдоль полосы. В том случае РАС-вращения, когда «лезвия ножниц» остаются максимально открытыми (предел Дэнау-Фрауэндорфа) значения В (М1) уменьшаются существенно слабее (Рис. 3d внизу).

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Rotational Frequency (MeV).

300 400 500.

Energy (keV).

R 1 РАС с).

Electric and Magnetic Rotation.

AI = 2 ordinary bands gradual alignment of many short vectors.

E2 electric quadrtipole mass distribution classic and quanta I electric.

Characteristic of rotational bands regular.

R,.

AI — 1 shears bards gradual alignment of few long vectors.

Ml magnetic dipole current distribution quanta I magnetic.

Ряс. 3 а) Магнитное вращение в сферическом ядре b) «Равномерное наклонное» (ТАС) магнитное вращение в слабодеформируемом ядре с эффектом «ножниц», когда вектор полного спина сохраняет ориентацию по отношению к оси симметрии и принудительное вращение вдоль оси х (РАС), с) Сравнение магнитного вращения с коллективным (электрическим) вращением хорошо деформированных ядер [79]. d) Поведение В (М1) во вращательной магнитной полосе свинца. Сплошная линия соответствует расчетам в рамках ТАС модели, пунктирная — полуклассическому пределу Дэнау-Фрауэндорфа. neutron.

Эффект магнитного вращения ожидался не только в области Z = 82, где он был открыт, но и для других околомагических ядер. К началу наших исследований уже была изучена схема распада 142Gd [69], в которой были найдены 4 дипольных полосы (Рис. 2с) и для ряда переходов на основе измерений их относительных интенсивностей были определены значения В (М1)/В (Е2). По некоторым признакам эти полосы, похожи на магнитновращательные, но не настолько регулярны по своей энергетической структуре, как в области Z = 82. Значения В (Ml)/В (Е2) для полосы DB1 оказались действительно большими (> 50 ц N/(eb)), но для других полос не превышали 15 ц м/(еЬ). Анализ на основе ТАС-модели показал, что относительно низкоспиновых полосам DB1 и DB3 можно приписать 4-квазичастичные конфигурации ®jih%v2 и TihV2 > а полосы DB2 и DB4, являющиеся продолжением первых, могут быть построены на 6-квазичастичных конфигурациях, которые образуются после разрыва второй Ьц/2 нейтрон-дырочной пары. Расчет деформации, объясняющей экспериментальные значения В (М1)/В (Е2) показал, что полосы DB1 и DB3 действительно слабодеформированы (в ~ -0.1), но деформация полос DB3 и DB4 должна быть больше (е ~ —0.15). Таким образом, дипольные полосы 142Gd казались лишь кандидатами на магнитновращательные. Решающее значение приобретает информация о временах жизни уровней, позволяющая, как это было сделано для изотопов РЬ, получить абсолютные значения В (М1) и В (Е2). После проведения и обработки результатов эксперимента на установке EUROBALL такая информация была получена [70, 73]. Помимо этого были изучены также дипольные полосы в соседнем ядре 141Еи [72], аналогичные по отношению к DB1 и DB2 142Gd и построенные на 3-квазичастичной конфигурации vAf, 2/2 ®-лА{½- существенно уточнены и дополнены схемы распада обоих ядерна основе учета допплеровского искажения у-линий, входящих в сложные мультиплеты перекрывающихся пиков, получены надежные данные об относительных интенсивностях переходов.

Результаты исследований оказались неожиданными. Во первых, при переходе от полос, построенных на 4-квазичастичных конфигурациях к полосам, которые, как казалось, должны принадлежать 6-квазичастичным конфигурациям, не обнаружилось ожидаемого скачка в зависимости В (М1) от спина. Такой скачок наблюдался в 197РЬ [85] и имеет естественное объяснение в рамках ТАС-вращения, поскольку каждая полоса, как обсуждалось выше, должна начинаться с максимальных значений В (М1) и заканчиваться минимальными. Во вторых, в начале каждой из 4-квазичастичных полос вместо ожидаемых больших значений В (М1) оказались малые, которые при увеличении спина скачкообразно увеличивались. Этот эффект казался совершенно необъяснимым не только с рамках ТАС-, но и РАС-схемы связи угловых моментов. Основываясь на полученных данных, была предложена полуклассическая модель, способная не только объяснить парадоксальное поведение В (М1), но и энергетическую структуру полос в 141Eu и 142Gd. Нашей задачей было сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов и поиск оптимальных параметров модели. Суть подхода состоит в комбинации механизма ножниц (Shears), характерного для магнитного вращения, с РАС коллективным вращением остова. Эта модель (SPAC) рассматривает энергию состояния с данным спином как сумму энергий квазичастиц и остова, зависящую от ориентации угловых моментов J, и jv по отношению к оси х. Соответствующие углы (на Рис: Зв это.

0я + ф и (р — 0V) определяются для каждого спина как результат минимизации полной энергии: и, тем самым, находятся зависимости от спина как энергий уровней, так и вероятностей электромагнитных переходов В (М1) и В (Е2), которые напрямую выражаются через углы ориентации векторов 7, j, и jv после замены коэффициентов.

Клебша-Гордона тригонометрическими функциями в классическом пределе. Для ТАС-схемы связи подобный подход уже был известен [88]. Коренное отличие схемы связи SPAC от ТАС состоит в возможности генерации трех различных полос уровней, построенных на одной и той же начальной квазичастичной конфигурации с перпендикулярными векторами j, и jv, начальное положение одного из которых обычно X) вдоль оси симметрии, а другой вектор jv может быть направлен как вдоль нормально"), так и противоположно оси х коллективного вращения, причем в последнем случае («инверсном») он может выстраиваться вдоль оси х, двигаясь как по- (CW), так и против (CCW) часовой стрелки, вызывая скачкообразное падение В (М 1). По-видимому, этот случай и реализуется в дипольных полосах шЕи и 142Gd. Таким образом, магнитновращательная природа этих полос с характерным эффектом «ножниц» подтвердилась, но, в отличие от околомагических изотопов РЬ, где реализуется ТАС-вращение в слабодеформированном среднем поле, здесь, в силу более значительной деформации, имеет место РАС-схема связи угловых моментов, обеспечивая своеобразный смешанный (магнитный + коллективный электрический) тип вращения.

Анализ допплеровских экспериментов являлся главной составной частью этой работы. На первом ее этапе, т. е. при обработке ОДСи плунжерного экспериментов, выполненных на установке NORDBALL, в основном использовались уже разработанные и апробированное в течение предыдущих 15-r20f лет методы и программное обеспечение. Это было возможно и — оправдано> в < частности тем, что ядерная реакция 109Ag + 13С при Е = 54 MeV, в которой образовывались изучаемые ядра 119 Г (канал: Зп) и 118Те (канал рЗп) относилась к, тому же классу, который использовался и ранее. Это реакции, вызываемые а-частицами и тяжелыми ионами с массой, А <16, которые характеризуются относительно небольшим вносимым угловым моментом. После испускания из составного ядра легких частиц в координатах Е*- I (энергия возбуждения — спин) образуется область т.н. «входных состояний» («entry states»), с которой происходит, дальнейшая разрядка у-каскадами, сначала квазинепрерывного спектра, а затем и дискретными. При небольшом вносимом угловом моменте область входных состояний, точнее максимумраспределения дифференциального сечения о (Е" I), приходится на: сравнительномалые (по отношению к положению исследуемого уровня) значения Е* и I. В этих условиях заселение изучаемых уровней у-каскадами квазинепрерывного спектра («боковая подпитка» — «side feeding») происходит достаточно быстро, со средней задержкой tSf < O. lps, которая в большинстве случаев много меньше измеряемых времен жизни tSf" т. Если tsf мало, то вероятность заселения в ¦ единицу времени, PsK0 можно > в первом приближении характеризовать одной экспонентой PSf (t) = l/tsf exp (-t/tsf), т. е. так, как если бы заселение изучаемых уровней происходило с одного эффективного вышележащего уровня. Для рассматриваемого класса реакций ожидаемые значения xsf могут быть оценены полуэмпирически, на основе анализа и обобщения имеющихся немногочисленных экспериментальных данных [13, 23, 24, 50, 89, 90]. Один из таких методов оценки xSf, основанный на анализе относительного положения изучаемого уровняпоотношению к расчетной области входных состояний, был предложен. и реализован нами при исследовании 1191 [53].

В исследованиях на установках GASP (144Gd) и EUROBALL (141Eu, 142Gd) использовались реакции 114Cd + 36S (Е = 182 MeV) и 114Sn + 32S (Е = 160 MeV) соответственно, характеризующиеся большим вносимым угловым моментом, когда области: входных состояний локализуются значительно выше как по спину, так и по энергии. В этих условиях у-каскады, приводящие к заселению изучаемого уровня длинны и характеризуются множественностью (среднее число у-переходов в каскаде) <М> ~ 15-КЗО, когда аппроксимация PsK0 одной экспонентой становиться заведомо некорректной. Эта было одной из главных причин коренной модернизации программного обеспечения анализа ОДС-экспериментов, в результате: которой, в частности, проблема учета боковой подпитки была решена кардинальным образом. А именно, все каскады, начинающиеся скаждого входного состояния, моделируются. методом Монте-Карло с учетом всех известных и даже таких экзотических механизмов у-разрядки состояний континуума, как разрядка по супердеформированным и магнитновращательным полосам [91]. В результате для каждого исследуемого уровня получаются различные распределения PSf (t), нозависящие от одних итех же физических параметров [71]. Часть из этих параметров можно определить в результате анализа независимых экспериментальных данных, таких как распределение множественности у-каскадов, но главным критерием является анализ ОДС. Параметры, определяющие картину боковой подпитки в 144Gd, 141Eu и 142Gd были. исследованы различными^ способами. Один из них основан на непосредственном анализе форм допплеровских у-линий, связанных с разрядкой тех наиболее высокоспиновых состояний, для которых доля заселения каскадами боковой подпитки велика (уровни 2б+ в 144Gd и 45/2″ в 141Еи). Другой способ (144Gd, 142Gd) основан на сопоставлении результатов измерения т, полученных при использовании различных методов, один из которых зависит, а другой не зависит от PSf (t). Эту возможность иногда предоставляет современная техника многомерных у-у-. совпадений — установка специальных фильтров («ворот») на каскадные переходы выше и ниже исследуемых («gating up», «gating above») [49, 71, 91-г94]. Проведенное нами исследование свойств континуума—имеет нетолько прикладное по отношению к измерениям т значение, но и представляет собой самостоятельный интерес.

В целом, хотя разработка новых методов анализа допплеровских экспериментов и программного обеспечения не являлась прерогативой автора, их постоянная апробация и отладка были важной составной частью работы.

Общий обзор и особенности применения к нашим исследованиям допплеровских методов измерений х изложены в первой главе диссертации. Вторая глава содержит все экспериментальные результаты и структурирована по принципу логических и временных этапов работы. Третья глава целиком посвящена обсуждению результатов, но лишь в той мере, в которой автор, не будучи теоретиком, принимал в этом участие.

На защиту выносятся следующие положения: | Q.

1. Экспериментальные результаты измерения т возбужденных состояний ядер: а) Те и 1191, проведенных методами ОДС и плунжерным на установке NORDBALLб) I44Gd, проведенных методом ОДС на установке GASP.

2. Подготовка, проведение и обработка эксперимента, по исследованию ОДС на установке EUROBALL IV. Экспериментальные результаты измерений т возбужденных состояний и относительных интенсивностей переходов в шЕи и 142Gd.

3 Выводы о том, что в исследованных ядрах: а) свойства квадрупольных полос успешно описываются в рамках полумикроскопического варианта модели взаимодействующих бозоновб) дипольные полосы могут рассматриваться как проявление магнитного вращения квазичастиц при существенном влиянии коллективного вращения остова.

Изложенные в диссертации материалы докладывались на:

1-гЗ 48-, 49- и 50-м Международных Совещаниях по Ядерной Спектроскопии и Структуре Атомного Ядра (Москва 1998, Дубна 1999 и С.-Петербург 2000).

4 International Conference 'High Spin State Nuclear Physics' (Warsaw, Poland) 2001.

5 International Symposium 'Nuclear Spectroscopy' (Gettingen, Germany) 2001.

6 Spring Meeting of the German Physical Society (Munster, Germany) 2002.

7 International Conference 'Nuclear Structure with Large Gamma Arrays' (Legnaro, Italy) 2002.

8 International Conference 'The Labyrinth in Nuclear Structure' (Crete, Greece) 2003 94−12 Spring Meetings of the German Physical Society (Munster 2002, Tubingen 2003,.

Koln 2004).

Основные результаты исследования опубликованы в следующих основных работах: (Е. О. Лидер в списке авторов фигурирует как Е.О. Podsvirova).

1. С. Droste, Т. Morek, J. Srebrny, К. Starosta, A. Wasilewski, Yu.N. Lobach, M.J. Piiparinen, S. Tormanen, A. Virtanen, S. Juutinen, G.H. Hagemann, A.A. Pasternak, E.O. Podsvirova, Electromagnetic Transition Probabilities in Negative Parity Bands of 1191, Прогр. и тез. 48 совещ. по яд. спектр, и структ. ат. ядра. Москва (1998) 53.

2. С. Droste, Т. Morek, J. Srebrny, К. Starosta, A. Wasilewski, Yu.N. Lobach, M, J. Piiparinen, S. Tormanen, A. Virtanen, S. Juutinen, G.H. Hagemann, A.A. Pasternak, E.O. Podsvirova, Plunger Lifetimes Measurements of Excited States 119I Populated in 109Ag (I3C, 3n) Reaction, Прогр. и тез. 48 совещ. по яд. спектр, и структ. ат. ядра. Москва (1998) 52.

3. С. Droste, Т. Morek, J. Srebrny, К. Starosta, A. Wasilewski, Yu.N. Lobach,. M.J. Piiparinen, S. Tormanen, A. Virtanen, S. Juutinen, G.H. Hagemann, A.A. Pasternak, E.O. Podsvirova, Lifetimes of Decoupled Bands States in 1191 Measured by DSA Method, Прогр. и тез. 48 совещ. по яд. спектр, и структ. ат. ядра. Москва (1998) 51.

4. С. Droste, Т. Morek, J. Srebrny, К. Starosta, A.A. Wasilewski, Yu.N. Lobach, M.J. Piiparinen, S. Tormanen, A. Virtanen, S. Juutinen, G.H. Hagemann, A.A. Pasternak, E.O. Podsvirova, Lifetimes and B (E2), B (M1) Values in the ngg/2 Band of119I, Прогр. и тез. 49 совещ. по яд. спектр, и структ. ат. ядра. Дубна (1999) 61.

5. С. Droste, Т. Morek, J. Srebrny, К. Starosta, A.A. Wasilewski, Yu.N. Lobach, M.J. Piiparinen, S. Tormanen, A. Virtanen, S. Juutinen, G.H. Hagemann, A.A. Pasternak, E.O.Podsvirova, Lifetimes of Negative-Parity Bands States of119I, Прогр. и тез. 49 совещ. по яд. спектр, и структ. ат. ядра. Дубна (1999) 59.

6. Yu.N. Lobach, A.A. Pasternak, J. Srebrny, Ch. Droste, G.H. Hagemann, S. Juutinen, T. Morek, M. Piiparinen, E.O. Podsvirova, S. Tormanen, K. Starosta, A. Virtanen, A.A. Wasilewski, Lifetime Measurement in the Yrast Band of1191, Acta Phys. Pol. В 30, (1999) 1273.

7. A.A. Pasternak, J. Srebrny, Ch. Droste, S. Juutinen, G.H. Hagemann, Yu.N. Lobach, T. Morek, M. Piiparinen, E.O. Podsvirova, K. Starosta, S. Tiirmanen, A. Virtanen, A. Wasilewski, Conflict Coupling in the n (g9/2)'' Bands 1191, Acta Phys. Pol. В 31, (2000) 429.

8. J. Srebrny, A.A. Pastrernak, Ch. Droste, Т. Morek, K. Starosta, E.O. Podsvirova, Yu.N. Lobach, G.H. Hagemann, S. Juutinen, M. Piiparinen, S. Turmanen, A. Virtanen, Lifetime Measurements and the Nonaxial Deformation in-1191, Acta Phys. Hung. N. S. 12 (2000) 217.

9. JSrebrny, Ch. Droste, T. Morek, K. Starosta, A. Wasilewski, A.A. Pasternak, E.O. Podsvirova, Yu.N. Lobach, G.H. Hagemann, S. Juutinen, M. Piiparinen, S. Turmanen, A. Vixtanen, Transition Probabilities in Negative Parity Bands of119I, Nucl. Phys. A683 (2001) 23.

10. A.A. Pasternak, A.D. Efimov, E.O. Podsvirova, V.M. Mikhajlov, J. Srebrny, T. Morek, Ch. Droste, Y. Sasaki, M. Oshima, S. Juutinen, G.B. Hagemann, Electromagnetic E2 Transition Probabilities in 120Xe and118Te — N=66 Nuclei, Acta Phys. Pol. B32, (2001) 2719.

11. A.A. Pasternak, J. Srebrny, A.D. Efimov, V.M. Mikhajlov, E.O. Podsvirova, Ch. Droste, T. Morek, S. Juutinen, G.B. Hagemann, M. Piiparinen, S. Tiirmanen and A. Virtanen, Lifetimes in the Ground State Band and the Structure ofmTe, Eur. Phys. J. A13 (2002) 435.

12. R.M. Lieder, A.A. Pasternak, E.O. Podsvirova, Investigation of Dipole Bands in the 142Gd region with EUROBALL, In book: The Labyrinth in Nuclear Structure, ed. A. Bracco and C.A. Kalfas, AIP, CP701 (2004) 238.

13. R.M. Lieder, A.A. Pasternak, E.O. Podsvirova, W. Gast, H.M. Jager, L. Mihailescu, D. Bazzacco, S. Lunardi, R. Menegazzo, C. Rossi Alvarez, G. de Angelis, D. Napoli, T. Rzaca-Urban, W. Urban, A. Dewald, Investigation of the level scheme of144Gd and lifetimes of the triaxial quadrupole band, Eur. Phys. J. A 21 (2004) 37.

14. E.O. Podsvirova, R.M. Lieder, A.A. Pasternak, S. Chmel, W. Gast, Ts. Venkova, H.M. Jager, L. Mihailescu, G. de Angelis, D. Napoli, A. Gadea, D. Bazzacco, R. Menegazzo, S. Lunardi, W. Urban, Ch. Droste, T. Morek, T. Rzaca-Urban, G. Duchene, Investigation of lifetimes in dipole bands of141Eu, Eur. Phys. J. A 21 (2004) 1.

15. A.A. Pasternak, E.O. Podsvirova, R.M. Lieder, S. Chmel, W. Gast, Ts. Venkova, H.M. Jager, L. Mihailescu, G. de Angelis, D. Napoli, A. Gadea, D. Bazzacco, R. Menegazzo, S. Lunardi, W. Urban, Ch. Droste, T. Morek, T. Rzaca-Urban, G. Duchene, Investigation of lifetimes in dipole bands of142Gd, Eur. Phys. J. A 23 (2004) 14.

16. A.A. Pasternak, R.M. Lieder, E.O. Podsvirova, Shears effect and РАС core rotation for Ml-bands in 142Gd, 141 Eu and 132La, Conference on «Nuclei at the Limits» Book of abstracts, Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois (2004) 112.

17. E.O. Podsvirova, A.A. Pasternak, R.M. Lieder, W. Gast, A.D.Efimov, V.M. Mikhailov, R. Wyss, Investigation of Lifetimes in quadrupole bands of142Gd, Conference on «Nuclei at the Limits» Book of abstracts, Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois (2004) 115.

В заключение сформулируем основные результаты и выводы работы: А. Экспериментальные результаты:

1. В результате обработки спектров у-у совпадений, полученных на установке NORDBALL в реакции I09Ag + 13С при Е = 55 MeV, впервые измерены значения времен жизни (т) для ~ 70 уровней в 5 квадрупольных и 5 дипольных полосах П8Те и 1191. Для = 40 уровней значения т получены с помощью метода ОДС и для ~ 30 — плунжерным методом. На основе этих измерений вычислены ~ 120 значений приведенных вероятностей электрических квадрупольных В (Е2) и магаитных дипольных В (М1) переходов.

2. Впервые с помощью метода ОДС исследованы времена жизни 7 состояний в квадрупольных полосах I44Gd, построенных на 4-квазичастичной высокоспиновой конфигурации 18+. Для этой цели использовались спектры у-у совпадений, полученные на установке GASP в реакции 114Cd (36S, 6п) при Е = 180 MeV.

3. Подготовлен и проведен эксперимент на пучке тандем-генератора национального ядерного исследовательского центра Франции в г. Страсбурге с использованием 239 кристальной установки EUROB ALL IV с целью исследования времен жизни высокоспиновых состояний в 4-х дипольных и 4-х квадрупольных полосах 142Gd и 2-х дипольных полосах I4IEu, заселяемых в реакциях I14Sn (32S, 2р2п) и U4Sn (32S, р2п) при Е = 160 MeV. Проведена энергетическая калибровка Ey (N) и калибровка эффективности е (Ег) всех детекторов, а также сортировка событий у-у-у совпадений. В результате энергетической фильтрации (установки «ворот» на определенные у-линии) получены более 200 у-спектров, соответствующих различным комбинациям «ворот» и групп детекторов, расположенных под различными углами по отношению к оси пучка.

4. В результате сравнительного исследования интенсивностей у-линий в полученных спектрах уточнены схемы распада 141Еи и I42Gd и определены отношения приведенных вероятностей магнитных дипольных и электрических квадрупольных внутриполосных переходов В (М1- I—>I-1)/B (E2- I—>1—2).

5. Впервые с помощью метода ОДС исследованы времена жизни ~ 40 состояний в дипольных и квадрупольных полосах в, 41Еи и 142Gd. На основе этих: измерений вычислены ~ 70″ значений приведенных вероятностей электрических квадрупольных В (Е2) и магнитных дипольных В (М1) переходов.

Б. Методические результаты:

1 Обоснован и апробирован полуэмпирический метод оценки эффективного времени боковой подпитки в реакциях, характеризуемых небольшим вносимым угловым моментом на примере реакции 109Ag + 13С при Е = 54 MeV.

2. На основе прецизионного анализа форм допплеровских у-линий и сравнения результатов измерения времен жизни, полученных различными методами установки «ворот» на каскадные переходы, исследован эффект боковой подпитки в реакциях, характеризуемых большим вносимым угловым моментом на примере реакции 114Cd + 36S (Е = 180 MeV) и 114Sn + 32S (Е = 160 MeV).

3. Апробированы и применены новые методы анализа сложных групп, содержащих допплеровские у-линии, в частности метод вычитания спектров, зарегистрированных под углами, симметричными по отношению к оси пучка (на примере 144Gd). Впервые апробированы и использованы новые возможности' программного обеспечения, позволяющие, в частности, анализировать формы у-линий, искаженные паразитными (до 7 в группе) пиками.

В. Основные физические выводы:

1. В результате сравнения свойств квадрупольных полос в околомагических ядрах с Z = 52, 53, 54 и N = 66 (118Те, 1,91 и 120Хе) между собой и расчетами на основе полумикроскопического варианта модели взаимодействующих бозонов МВБ1 выяснилось, в частности, что коллективные свойства протонной конфигурации яЬ{,/2 в.

I гораздо ближе к 120Хе, чем к 118Те и наоборот, конфигурации ngl)2 ближе к П8Те. В целом оказалось, что коллективные свойства ядер резко изменяются при малом изменении Z (от Z = 52, до Z = 54) вблизи магического протонного числа Z = 50.

2. Квадрупольные полосы в околомагических ядрах с Z = 64 и N = 78,80 (142Gd и 144Gd), построенные на 2- и 4-квазичастичных состояниях и традиционно рассматривавшиеся в рамках моделей, основанных на представлении о существовании трехаксиальной деформации (TRS — Total Roushian Surface), могут быть успешно описаны на основе полумикроскопических бозонных подходов (варианты МВБ1), не вводящих явно понятие статической деформации.

3. Приведенные вероятности Ml переходов В (М1) в дипольных полосах 1191, построенных как на 3-квазичастичных возбуждениях, так и на конфигурации Kg 9)2, хорошо описываются на основе полуклассических подходов, которым может быть придана простая геометрическая интерпретация для больших значений спинов.

4. Энергетическая структура и характеристики электромагнитных переходов (значения В (М1) и В (Е2)) в полосах околомагических ядер с N=82 (141Eu³ и 142Gd^), построенных на 3- й 4-квазичастичных состояниях, были сопоставлены как с расчетами, выполненными на основе микроскопической модели ТАС и полуклассической модели SPAC, в которой магнитное вращение с характерным эффектом ножниц (Shears) рассматривается в главной системе координат ядерного эллипсоида. Исследованные дипольные полосы в этих в рамках микроскопической модели ТАС могут быть рассмотрены как магнитно-вращательные, а в полуклассической модели SPAC показывается, что магнитное вращение квазичастиц комбинирует со значительным вкладом коллективного вращения остова.

В целом, исследования, выполненное в настоящей работе современными средствами у-спектроскопии, продемонстрировали сложное сочетание и взаимодействие как коллективных, так и квазичастичных степеней свободы в околомагических ядрах.

Выражаю искреннюю благодарность моему научному руководителю д.ф.м.н.

A.А.Пастернаку за руководство и постоянное внимание на всех этапах нашей совместной семилетней научной деятельности. Благодарю также А. Д. Ефимова,.

B.М.Михайлова и С. Шмеля за теоретическое обсуждение полученных результатов, а также всех соавторов статей. Благодарю также коллективы кафедры ядерной физики Варшавского Университета и Института Ядерной физики Исследовательского центра физики г. Юлиха, где была выполнена большая часть настоящей работы, а также коллективы ускорительного центра института ядерных исследований г. Страсбурга за помощь в проведении эксперимента на детекторном комплексе EUROB ALL.