Лёгкие ядра и гиперядра в центре исследования КазНУ
Научный проект Казахского национального университета имени аль-Фараби направлен на более точное описание лёгких атомных ядер и гиперядер. Исследователи планируют усовершенствовать кластерные модели, чтобы учитывать внутреннюю структуру взаимодействующих ядер и несколько возможных каналов реакций. Работа объединяет задачи теоретической ядерной физики с вопросами образования лёгких элементов и эволюции вещества во Вселенной.
Проект «Структура лёгких ядер и гиперядер в многоканальных и многокластерных моделях» рассчитан на 2024–2026 годы. Его цель — расширить возможности микроскопических методов исследования ядерной структуры. Особое внимание предполагается уделить связанным и резонансным состояниям, а также реакциям с участием изотопов гелия и лития. Ожидается, что развитие модели поможет подробнее описывать взаимодействие ядер и свойства образующихся систем.
Несмотря на большой объём экспериментальных данных, единой теоретической модели, которая объясняла бы все известные характеристики атомного ядра, пока нет. Сложности связаны с описанием взаимодействия протонов и нейтронов и природы возбуждённых состояний. Для высоких энергий возбуждения задача становится особенно трудной: необходимо учитывать множество возможных путей распада. Поэтому совершенствование расчётных методов остаётся самостоятельной задачей фундаментальной физики.
Как описать внутреннюю структуру ядра
В кластерной модели нуклоны внутри ядра рассматриваются как группы, образующие определённые подструктуры. Такими кластерами могут выступать дейтрон, тритон, ядра гелия-3 и гелия-4. Их взаимодействие влияет на свойства более сложного ядра. Такой подход позволяет упростить расчёты многокомпонентной системы, сохранив возможность изучать особенности её строения. При этом точность описания зависит от того, насколько полно модель учитывает внутреннее устройство самих кластеров.
Развиваемый микроскопический подход предусматривает учёт внутренней структуры кластеров и принципа запрета Паули, определяющего ограничения на квантовые состояния одинаковых частиц. В основе работы лежит многоканальная трёхкластерная модель. Она позволяет описывать систему из трёх кластеров через взаимодействие двух тел во входных и выходных каналах реакции. Это даёт возможность рассматривать несколько вариантов распада составного ядра в рамках одного расчётного подхода.
Для резонансных состояний предполагается определять энергию, полную ширину и парциальные ширины. Последние характеризуют вклад отдельных каналов распада, а ширина резонанса связана со временем его жизни. При повышении энергии возбуждения число доступных каналов растёт. Поэтому исследование потребует развития алгоритмов обнаружения резонансов и расчёта их параметров с учётом разных двухкластерных и трёхкластерных конфигураций. Эти характеристики необходимы для объяснения поведения возбуждённого ядра.
Методическая основа проекта связана с предшествующими исследованиями лития-6, в которых рассматривались его основное и резонансные состояния. В этих работах была показана роль кластерной поляризации, то есть изменения внутренней структуры кластеров при взаимодействии. Теперь предполагается расширить применение подхода на другие ядерные системы. Оценке поляризации планируется уделить внимание, в частности, при низких энергиях сталкивающихся ядер.
Гиперядра и реакции образования лития
Одна из задач — изучение связанных и резонансных состояний гиперядер гелия и лития с массовым числом шесть. Помимо протонов и нейтронов, такие системы содержат гиперон. В расчётах их предполагается представить как трёхкластерные структуры, включающие ядро гелия-4, нейтрон либо протон и Λ-гиперон. Исследователи планируют определить параметры резонансных состояний и вероятности распада по доступным двухкластерным каналам.
Другое направление посвящено реакции , в которой при взаимодействии гелия-6 с протоном образуются литий-6 и нейтрон. Для её анализа предусмотрен учёт разных трёхкластерных конфигураций и бинарных каналов ядра лития-7. Отдельно предполагается исследовать высоковозбуждённые состояния лития-7. Совместное рассмотрение структуры и каналов реакции должно помочь подробнее описать процессы с участием этих лёгких ядер.
Астрофизический интерес работы связан с образованием лёгких элементов на разных этапах развития Вселенной. В частности, исследование реакций с участием лития может дать дополнительные теоретические сведения для обсуждения космологической литиевой проблемы. Разработка более подробной модели направлена на уточнение ядерных характеристик, необходимых для такого анализа. При этом решение самой проблемы остаётся более широкой научной задачей.
В рамках трёхкластерной микроскопической модели также планируется рассмотреть взаимодействие гелия-3 с тритием. Среди анализируемых выходных каналов — образование гелия-4 и дейтрона, лития-5 и нейтрона, гелия-5 и протона. Дополнительно предусмотрены реакции радиационного захвата и . В этих обозначениях d соответствует дейтрону, а γ — испускаемому фотону.
Что планируется получить
Для рассматриваемых реакций предполагается рассчитать астрофизические S-факторы и скорости. Эти величины используются при описании ядерных процессов в астрофизических условиях. Более полный учёт внутренней структуры и кластерной поляризации должен расширить возможности теоретического анализа. Результаты расчётов могут быть полезны исследователям ядерной структуры, а также при постановке последующих теоретических задач и планировании новых экспериментов.
Научные результаты планируется представить на международных конференциях и в рецензируемых журналах. По итогам проекта предусмотрена публикация не менее двух статей в журналах первых трёх квартилей по импакт-фактору в Web of Science либо с процентилем CiteScore в Scopus не ниже 50. Часть материалов предполагается использовать в лекциях для магистрантов и докторантов и в их исследовательской работе. Основным ожидаемым итогом фундаментального проекта станет усовершенствованный метод изучения лёгких ядер и гиперядер, применимый к дальнейшим задачам ядерной физики.
