9. Двухпротонная радиоактивность

    Новый тип радиоактивного распада — двухпротонная радиоактивность — был предсказан В.И. Гольданским в 1960 г. Явление двухпротонной радиоактивности состоит в том, что атомное ядро спонтанно испускает два протона из основного состояния. Этот тип радиоактивного распада обусловлен спариванием протонов в атомных ядрах. В некоторых случаях от ядра с чётным числом протонов Z оказывается легче оторвать сразу два протона, чем один «чётный» протон. Двухпротонная радиоактивность должна наблюдаться вблизи границы протонной радиоактивности в атомных ядрах (proton drip-line), имеющих чётное число протонов.

Рис. 9.1. Энергетические диаграммы испускания ядром (A,Z) одного и двух протонов.

    Создание пучков радиоактивных ядер позволило исследовать атомные ядра с существенно иным соотношением между числом протонов Z и числом нейтронов N в ядре N/Z, чем в области стабильных ядер. Для ядер, удаленных от полосы β-стабильности обнаруживаются новые явления. В ядрах, расположенных вблизи границы протонной радиоактивности, где сильные взаимодействия нуклонов уже не в состоянии удержать протон, для нечетных по Z ядер имеет место протонная радиоактивность, в то время как для четных по Z ядер среднего массового числа A и тяжелых ядер в результате спаривания протонов становится возможным испускание двух протонов.
    На рис. 9.1 показаны возможные энергетические диаграммы испускания ядром (A,Z) одного и двух протонов. На рис. 9.1а показан случай, когда исходное ядро (A,Z) неустойчиво как к испусканию одного, так и к испусканию двух протонов. На рис. 9.1б показан случай, когда ядро (A,Z) может непосредственно распадаться как с испусканием двух протонов так и в результате цепочки последовательных распадов (A,Z) → (A-1,Z-1) + p → (A-2,Z-2) + 2p. В этом случае в конечном состоянии также образуются два протона, но необходимо, чтобы образовавшееся в результате испускания первичного протона промежуточное ядро (A-1,Z-1) было неустойчиво к испусканию второго протона.
    В случае, показанном на рис. 9.1в, возможен прямой распад ядра (A,Z) с испусканием двух протонов и образованием конечного ядра (A-2,Z-2). Распад ядра (A,Z) на состояния ядра (A-1,Z-1) энергетически запрещён. Т.е. в этом случае может происходить прямой распад с испусканием двух протонов из основного состояния ядра (A,Z).
    Какой из рассмотренных случаев приводит к двухпротонной радиоактивности зависит не только от соотношения масс ядер (A,Z), (A-1,Z-1), (A-2,Z-2), но и от ширин основных состояний ядер (A,Z),
(A-1,Z-1).
    Из теоретических работ, выполненных к 2000 г., следовало, что наилучшими кандидатами для поиска двухпротонной радиоактивности являются изотопы ⁴⁵Fe, ⁴⁸Ni и ⁵⁴Zn, т.к. их энергии двухпротонного распада составляют 1.1–1.8 МэВ, а однопротонный распад подавлен по энергии из-за узкой ширины основных состояний, образующихся при испускании одного протона.

Явление двухпротонной радиоактивности было впервые обнаружено в изотопе ⁴⁵Fe практически одновременно двумя экспериментальными группами в исследовательских центрах GANIL (Франция) и GSI (Германия). Для надежной идентификации двухпротонной радиоактивности было необходимо надежно отделить эти события от однопротонного распада и двухпротонного распада, сопровождающего β-распад. Двухпротонный распад является основным каналом распада изотопа ⁴⁵Fe. На рис. 9.2 приведена энергетическая диаграмма распада изотопа ⁴⁵Fe.

Рис. 9.2. Схема распада изотопа ⁴⁵Fe, на котором впервые была обнаружена двухпротонная радиоактивность.

    На рис. 9.3 показана цепочка последовательных распадов изотопа ⁴⁵Fe.
    При идентификации двухпротонной радиоактивности изотопа ⁴⁵Fe использовались следующие критерии.

1. Измеренная энергия двухпротонного распада (E_p = 1.1 МэВ) находится в согласии с результатами теоретических предсказаний.
2. Отсутствуют совпадения при регистрации протонов с энергией 1,1 МэВ и продуктов β-распада.
3. Протоны с энергией > 1.1 МэВ образуются в результате β-распада дочерних ядер ⁴³Cr
   ().
4. Период полураспада ⁴³Cr хорошо совпадает с теоретическим расчетом и ранее полученным значением 20.8(3) мс.
5. Распад ⁴³Cr сопровождается испусканием запаздывающих протонов с энергией от 2 до 6 МэВ, что наблюдается в энергетических спектрах протонов.

    Из совместного анализа данных, полученных в экспериментах GANIL и GSI, было получено:

• Суммарная энергия двухпротонного распада ⁴⁵Fe равна Q(2p) = 1.151 МэВ.
• Период полураспада изотопа ⁴⁵Fe
• Относительная вероятность двухпротонного распада BR = 0.59±0.07.
• Парциальный период двухпротонного распада

Рис. 9.3. Распад изотопа ⁴⁵Fe.

    Для исследования процессов, происходящих при распаде ядер вблизи границы протонной радиоактивности, необходимо было создать новые типы детекторов, имеющих большую эффективность регистрации продуктов распада и высокое пространственное разрешение.
    Первые эксперименты по обнаружению двухпротонного распада из основного состояния были выполнены на телескопах из кремниевых детекторов. С помощью этой методики можно было надёжно измерять:

• суммарную энергию двух протонов
• период полураспада изотопа
• долю канала 2p-распада из основного состояния
• убедиться в том, что нет совпадений с β-распадом, т.е. 2p-распад происходит из основного состояния ядра, а не является испусканием двух запаздывающих протонов β2p.

    Однако для более надёжной идентификации канала 2p-распада было желательно измерить энергии каждого из протонов и угловую корреляцию вылетающих протонов. Для решения этой задачи были созданы

• оптическая время-проекционная камера OTPC (Optical Time Projection Chamber) [K. Miernik, W. Dominik et al. “Optical Time Projection Chamber for imaging nuclear decays”, Nucl. Instr. And Meth. A 581 (2007) 194–197; K. Miernik, W. Dominik et al. “Two-proton Correlations in the Decay of ⁴⁵Fe”, Phys. Rev. Lett. 99, 192501 (2007)],

• временная проекционная камера TPC (Time Projection Chamber), которые позволяли визуально регистрировать низкоэнергичные протоны, образующиеся при 2p-распаде ядер [B. Blank, L. Audirac et al. “A time projection chamber to study two-proton radioactivity”, Nucl. Instr. And Meth. B 266 (2008), 4606–4611; J. Giovinazzo, B. Blank et al. “First Direct Observation of Two Protons in the Decay of ⁴⁵Fe with a Time-Projection Chamber”, Phys. Rev. Lett. 99, 102501 (2007)].

Оптическая время-проекционная камера. Принцип работы оптической время-проекционной камеры OTPC показан на рис. 9.4. Камера (conversion), в которой регистрируется 2p-распад, состоит из объёма 20×10×15 см³, заполненного газовой смесью (49% Ar + 49% He + 1% N₂ + 1% CH₄) при атмосферном давлении. В камере расположено несколько проволочных сетчатых электродов, создающих однородное электрическое поле. Ионы и продукты их распада останавливаются внутри конверсионного объёма. Образовавшиеся в результате ионизации газа электроны перемещаются со скоростью 1.1 см/мкс в сторону выходного электрода (gating electrode) и затем в результате вторичной ионизации усиливаются с помощью двух усилителей (preamplification, charge amplification). Усиление достигает 10⁴.

Рис. 9.4. Схема оптической время-проекционной камеры.

    Спектр ультрафиолетовых фотонов, испускаемых на последней стадии усиления, смещается с помощью трансформатора спектра фотонов WLS (Wave-length Shifter) в видимую область спектра. Изображение события получается на стеклянном окне (glass window) на выходе газового объёма детектора и затем регистрируется с помощью CCD-камеры и фотоумножителя. Ионы входят в камеру параллельно сетчатым электродам. Двумерное изображение трека образуется на выходе OTPC детектора. Перпендикулярная плоскости стеклянного окна третья проекция трека измеряется по времени прихода сигнала на вход фотоумножителя и CCD-камеры.
    Эксперимент по регистрации 2p-распада ⁴⁵Fe был выполнен на сверх­проводящем циклотроне Мичиганского университета. Ускоренный пучок ионов ⁵⁸Ni с энергией 161 МэВ/нуклон попадал на мишень толщиной 800 мг/см² из естественной смеси изотопов Ni. Ионы ⁴⁵Fe выделялись с помощью сепаратора А1900, дополнительно идентифицировались по времени пролёта, тормозились алюминиевой фольгой и затем попадали в OTPC.

Рис. 9.5. Изображение 2p-распада, полученное с помощью оптической время-проекционной камеры (OTPC).

    На рис. 9.5 показан один из случаев регистрации 2p-распада ⁴⁵Fe. Видны два коротких ярких трека от протонов распада с энергией ~0,6 МэВ, испущенных через 535 мкс после попадания изотопа ⁴⁵Fe в камеру. Более слабый след слева соответствует изотопу ⁴⁵Fe.
    В течение 9 дней эксперимента было зарегистрировано 125 случаев распада ⁴⁵Fe, из них в 87 случаях наблюдались 2p-распад и в 38 случаях β распад, сопровождаемый испусканием запаздывающих протонов. Этот результат находится в хорошем согласии с ранее выполненными экспериментами.

    Временная проекционная камера. Другой тип детектора, также позволяющий визуализировать событие двухпротонного распада — временная проекционная камера TPC (Time Projection Chamber) — был установлен на масс-сепараторе LISE3-GANIL.

Рис. 9.6. Схематического изображение принципа работы временной проекционной камеры TPC.

    Принцип работы временной проекционной камеры показан на рис. 9.6. TPC размещен в объёме размером 60×60×60 см³ и имеет эффективный объем 15×15×6 см³. Попадание исследуемых ионов в рабочий объём TPC идентифицировалось по времени пролёта с помощью двух кремниевых детекторов толщиной 150 мкм (Identification). Первый детектор позволял определить потери энергии иона, а второй позиционно-чувствительный детектор позволял определить его координаты. Затем исследуемые ионы попадали в чувствительный объем TPC. Электроны, образующиеся в результате ионизации газа ионами и продуктами их распада, смещались в электрическом поле и попадали после усиления на двухслойную поверхность X-Y-детектора (X-Y detector). Верхний слой X-Y-детектора представляет собой систему стрипов шириной 50 мкм расположенных на расстоянии 100 мкм друг от друга. В нижнем слое ширины стрипов составляли 150 мкм с расстоянием между ними 200 мкм. Величина сигнала со стрипов позволяла определить x,y-проекцию события, а время прихода усиленных импульсов электронов на различные стрипы позволяло восстановить 3 проекцию события.
    Двухпротонный распад является основным каналом распада изотопа ⁴⁵Fe. Двухпротонная радиоактивность изучалась на изотопах ⁴⁸Ni и ⁵⁴Zn.
    Результаты наблюдения явления двухпротонной радиоактивности изотопов ⁴⁵Fe, ⁴⁸Ni, ⁵⁴Zn приведены в таблице 9.1, в которой показаны энергии двухпротонного распада, периоды полураспада изотопа, относительные вероятности 2p-распада и парциальные периоды 2p распада.

Таблица 9.1

Двухпротонная радиоактивность изотопов ⁴⁶Fe, ⁴⁸Ni, ⁵⁴Zn

	Энергия 2p-распада, МэВ	Период полураспада изотопа, мс	Относительная вероятность 2p-распада	Парциальный период 2p-распада изотопа, мс
45Fe	1.151±0.015		0.62±0.05
48Ni	1.35±0.02
54Zn	1.48±0.02

    Из экспериментов, выполненных по поиску 2p-радиоактивности, можно сделать следующие выводы.

1. Можно считать надёжно установленной двухпротонную радиоактивность изотопа ⁴⁵Fe. Испускание двух протонов является доминирующим каналом распада этого изотопа.
2. Для изотопа ⁵⁴Zn также можно считать установленным распад с испусканием двух протонов. Этот канал распада для изотопа ⁵⁴Zn также является доминирующим.
3. В случае изотопа ⁴⁸Ni ситуация более сложная. Обнаружен всего один случай двухпротонного распада этого изотопа. Относительная вероятность двухпротонного распада составляет 0.25. Критерии идентификации 2p-радиоактивность при анализе экспериментальных результатов ⁴⁸Ni были те же, что и в случае ⁴⁵Fe и ⁵⁴Zn. Хотя по одному случаю идентификации 2p-распада ⁴⁸Ni трудно сделать окончательное заключение о двухпротонной радиоактивности этого изотопа, экспериментальные данные достаточно надёжны и хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями.

    Двухпротонная радиоактивность была обнаружена также на нейтронодефицитных изотопах ⁶B, ¹⁹Mg, ²⁶S, ^58,59,60Ge. Однако эти результаты требуют дальнейших уточнений.

2p-распад изотопа ⁵⁴Zn.

Парциальный период двухпротонного распада изотопа ⁵⁴Zn. составляет . Относительная вероятность двухпротонного распада ≈ 0.87. Энергия двухпротонного распада E(2p) = 1.48 МэВ.

 2p-распад изотопов ⁵⁸Ge, ⁵⁹Ge

Изотопы ⁵⁸Ge, ⁵⁹Ge являются кандидатами для наблюдения двухпротонной радиоактивности. На рисунке показаны энергетические диаграммы и схемы распада этих изотопов с испусканием двух протонов.

⁵⁸Ge → ⁵⁶Zn + 2p (E(2p) = 2.77 МэВ)
⁵⁹Ge → ⁵⁷Zn + 2p (E(2p) = 1.22 МэВ)