Rozkład wysokości barier kulombowskich

kontakt: E. Piasecki piasecki@fuw.edu.pl

Fuzja jest procesem połączenia dwóch jąder w jedno. Wymaga ona przeniknięcia jąder tarczy i pocisku przez barierę kulombowską, która powstaje w wyniku konkurencji pomiędzy długozasięgową odpychającą siłą kulombowską i krótkozasięgową przyciągającą siłą jądrową. Potencjał całkowity oddziaływania jest, w najprostszym przybliżeniu, sumą potencjałów kulombowskiego i jądrowego i jego wartość maksymalna nazywana jest wysokością bariery

Kiedy oba jądra (tacza i pocisk) są sferyczne, klasycznie rzecz biorąc między nimi jest tylko jedna bariera, o wysokości pokazanej na rysunku niebieską strzałką, jednakże efekty kwantowe powodują jej rozmycie i  w rezultacie otrzymujemy rozkład wysokości barier o szerokości 2-3 MeV.

fig1p

Jeśli przynajmniej jedno z jąder jest zdeformowane (patrz rys. poniżej), wysokość bariery zależy od względnej orientacji pocisku i tarczy. W rzeczywistości musimy uśrednić po wszystkich ich wzajemnych orientacjach, co – klasycznie rzecz biorąc – prowadzi do rozkładu wysokości barier na fuzję. W języku mechaniki kwantowej, ten rozkład jest generowany przez sprzężenia (wzajemne oddziaływania) wielu możliwych kanałów reakcji.

fig2

Jak wyznaczyć rozkład doświadczalnie?

Istnieją dwie metody: jedna używa danych dotyczących fuzji, druga (używana dotąd w ŚLCJ) wykorzystuje dane z quasi-elastycznego rozproszenia wstecznego oraz rozproszenia Rutherforda (w kąty przednie). Jako rozproszenie quasielastyczne rozumiemy sumę rozproszenia elastycznego, nieelastycznego i procesów transferu. Rozkład wysokości barier dany jest przez wzór:

index_1

gdzie σqe jest przekrojem czynnym na rozproszenie quasi-elastyczne a σR na rozproszenie Rutherfordowskie.

fig3

Przy użyciu tej metody określiliśmy rozkłady wysokości barier dla oddziaływania 20,22Ne z wieloma tarczami. Do międzynarodowej grupy Bariery wchodzą fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego (SLCJ i Instytutu Fizyki Doświadczalnej), Uniwersytetu w Białymstoku, IPHC w Strasburgu, Tohoku University (Japonia), Universytetu w Jyväskylä (Finlandia), INFN (Katania) i Technische Hochshule (Darmstadt). Eksperymenty wykonywane były dotąd głównie przy użyciu Cyklotronu Warszawskiego U200P. Układ detektorów umieszczono w komorze rozproszeń CUDAC. Układ doświadczalny jest niezwykle prosty. Dla rejestracji rozproszenia wstecznego użyto trzydziestu detektorów półprzewodnikowych ustawionych pod kątami od 130o do 150o, natomiast 2 detektory umieszczone pod kątem 35o mierzą rozproszenie rutherfordowskie oraz energię wiązki. Dodatkowo używaliśmy do 4 teleskopów E-ΔE dla pomiaru transferu cząstek naładowanych.

cudac3c

cudac_foto

Komora rozproszeń CUDAC.


Nasze zagadkowe wyniki

Nasze wyniki doświadczalne dla systemu 20Ne + natNi zostały porównane z obliczeniami wykonanymi metodą kanałów sprzężonych. Rozkład doświadczalny (czerwone punkty na rysunku poniżej) zgadza się dobrze z obliczonym. Obliczenia wskazują na wyraźną strukturę w rozkładzie (niebieska linia, parametry obliczeń zostały wzięte z innych źródeł, doświadczalna zdolność rozdzielcza została uwzględniona). Linia przerywana ilustruje wyniki obliczeń bez uwzględnienia sprzężeń miedzy różnymi kanałami reakcji.

ne20ni

Z drugiej strony żadne dobieranie parametrów obliczeń nie pozwala na odtworzenie rozkładu zmierzonego dla 20Ne + 118Sn, który – w odróżnieniu od wyników teoretycznych – nie ma struktury

ne20sn118

Podejrzewając, że wygładzanie rozkładu może być spowodowane przez (nieuwzględniany w obliczeniach) silny transfer cząstek α z pocisku 20Ne do tarczy 118Sn, wykonaliśmy pomiary z wiązka 22Ne (dla której spodziewaliśmy się o wiele słabszego transferu), jednakże i w tym przypadku rozkład doświadczalny nie posiada żadnej struktury (patrz rys. poniżej). Doświadczalnie sprawdziliśmy, że transfer cząstek α oraz proces break-upu są w tym przypadku rzeczywiście słabe, tak więc te kanały reakcji nie mogą być przyczyną wygładzania rozkładu.

ne22sn118

W tej sytuacji zaczęliśmy podejrzewać, że wygładzanie rozkładu wysokości barier, zamazujące spodziewaną strukturę, może być spowodowane transferem neutronów pomiędzy tarczą i pociskiem. Wykonaliśmy wiec pomiary rozkładów dla 20Ne oddzialywującego z tarczami 90Zr i 92Zr, spodziewając się, że w pierwszym przypadku (dzięki małemu prawdopodobieństwu transferu) struktura będzie zachowana, natomiast w drugim przypadku będzie zatarta. Jak się wydaje (patrz rys. poniżej) te oczekiwania są potwierdzone doświadczalnie, jednakże planujemy powtórzenie tych eksperymentów.

Zmierzyliśmy również (w JYFL) rozkład barier dla 20Ne+208Pb używając jednocześnie obu metod: przez pomiar fuzji i rozproszenia quasielastycznego, aby sprawdzić, czy dają one te same wyniki. Uzyskaliśmy odpowiedź pozytywną, w obu jednakże przypadkach wyniki doświadczalne okazały się uderzająco różnić od teoretycznych (patrz rys. poniżej, w którym zebraliśmy nasze wyniki dotyczące oddziaływania 20Ne z wieloma jądrami).

ne20x

Tak więc, aktualną sytuację możemy podsumować następująco: dla niektórych systemów obserwujemy dobrą zgodność pomiędzy wynikami doświadczalnymi i teoretycznymi, jednakże dla innych otrzymujemy wyraźne rozbieżności. Przyczyna tych rozbieżności pozostaje zagadką, nad której rozwiązaniem pracujemy.

Nasze główne wyniki zostały ogłoszone w następujących publikacjach:

[1] E. Piasecki et al., Acta Phys. Pol. B33 (2002) 397.
[2] E. Piasecki et al., Phys. Rev. C65 (2002) 054611.
[3] L. Swiderski et al., Int. Journ of Mod. Phys. E13 (2004) 315.
[4] E. Piasecki et al., Phys. Lett. B 615 (2005) 55.
[5] E. Piasecki et al., Intl. Journ. Mod. Phys. 16 (2007) 502.

Grupa Bariery

E. Piasecki (a,d), T. Krogulski (c), Ł. Świderski (d), J. Jastrzębski (a), A. Kordyasz (a), M. Kisieliński (a,d), M. Kowalczyk (a,b), K. Piasecki (b), K. Rusek (d), P. Russotto (f), A. Pagano (f), M. Mutterer (g), S. Khlebnikov (h), W.H. Trzaska (i), K. Hagino (j), N. Keeley (d), I. Strojek (d), A. Trzcińska (a) and N. Rowley (e)

<align=”center”>(a) Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów , Uniwersytet Warszawski
<align=”center”>(b) Instytut Fizyki Doświadczalnej, Uniwersytet Warszawski
<align=”center”>(c) Instytut Fizyki Doświadczalnej, Uniwersytet w Białymstoku
<align=”center”>(d) Instytut Problemów Jądrowych, Świerk
<align=”center”>(e) IPHC, Starsbourg
<align=”center”>(f) Instituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania
<align=”center”>(g) Institut fur Kernphysik, Technische Universitat, Darmstadt
<align=”center”>(h) Khlopin Radium Institute, St. Petersburg
<align=”center”>(i) University of Jyvaskyla, Finland
<align=”center”>(j) Tohoku University, Sendai