Диссертация (1145365), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Была отмечена [29] роль реакцииизотопного обмена pµ + d → dµ + p, высокая скорость которой позволиланаблюдать pdµ - синтез в природном водороде, где примесь дейтерия составляла лишь ∼10−4 . Исследование зависимости выхода продуктов pdµ –синтеза от концентрации дейтерия в жидком водороде позволило понятьважную роль переходов между уровнями сверхтонкой структуры мезоатомов дейтерия F3/2 → F1/2 . Поскольку ядерная реакция в pdµ-молекулахсущественно зависит от спинового состояния ядер (S=1/2), то накоплениеdµ - атомов со спином F1/2 приводит к увеличению выхода мюонов конверсии (эффект Герштейна-Вольфенштейна).24В целом, теоретические расчеты процессов мюонного катализа [32] удовлетворительно описывали результаты экспериментов, выполненных в 60-егоды в жидком водороде и дейтерии. Дополнительной причиной интересак мюонному катализу были исследования реакций захвата мюонов ядрамиводорода и дейтерияp + µ → n + ν,d + µ → 2n + ν,проводившиеся в связи с проверкой теории универсального слабого (V-A)взаимодействия, особенно актуальной в то время.
Поскольку скорость захвата существенно зависит от спинового состояния мезоатомов, то в работах Я.Б.Зельдовича и С.С. Герштейна [33, 34, 35] были исследованы процессы рассеяния pµ и dµ – атомов на тождественных ядрах в среде и показано, что благодаря перевороту спинов интенсивно заселяются нижниесостояния сверхтонкой структуры, что может существенно увеличить вероятность захвата мюонов в указанных атомах. В реальных условиях, однако,с процессом захвата конкурирует интенсивное образование ppµ мезомолекул, в которых захват мюонов происходит как из орто, так и из пара состояний сверхтонкой структуры молекул.
При этом важным и до конца нерешенным вопросом оставалось определение скорости орто-пара перехода.Детальные исследования указанных процессов проводились группамиЛ. Ледермана, К. Руббиа, Э. Заваттини в США и Европе, а также группой В.П. Джелепова в Дубне. Именно здесь, в 1966 году при анализе данных, полученных с помощью диффузионной камеры, было замечено, чтоскорость образования ddµ-молекул при давлении 20 атм и температуреТ∼240 К возрастала почти на порядок величины по сравнению со скоростью в жидком дейтерии, что противоречило теории образования мюонныхмолекул по механизму Я.Б.Зельдовича [3]. Анализ причин такой зависимости от температуры указал на возможность наличия у ddµ-молекулы нового уровня с очень малой энергией связи, меньшей, например, чем энергияионизации электрона ∼15 эВ или энергия диссоциации ∼4,5 эВ молекулыD2 .Этой энергии было достаточно лишь для возбуждения вращательноколебательных состояний молекулярного комплекса [(ddµ)J=ν=1 dee]∗(K,ν)f ,25которые по мере роста температуры приближались к условиям резонанса,что отражалось в увеличении скорости образования мезомолекул и ростевыхода событий dd-синтеза.
Этот механизм, предложенный Э.А. Весманомв 1967 году [4], получил свое подтверждение в расчетах и в экспериментетолько в 1977 году. За этот период в Дубне был проведен переход на новыйметод исследования процесса мюонного катализа с помощью регистрациинейтронов dd-синтеза.Проведенные на новой установке в 1974 и 1977 годах измерения скорости ddµ катализа однозначно подтвердили её резонансный рост с температурой среды до значения ∼ 0, 85·106 c−1 при T=380 K. В это же время былиопубликованы и результаты детальных расчетов [2] по поиску нового уровня в молекуле ddµ, энергия которого оказалась равной ε11 ∼1,96 эВ, привращательных и колебательных квантовых числах J=ν=1. Благодаря резкой зависимости скорости образования ddµ –молекул от энергии мезоатомов (т.е.
от температуры среды), появилась возможность экспериментального определения энергии нового уровня в этой молекуле с очень высокойточностью ∼ 10−3 эВ. Авторы работы [1] аппроксимировали экспериментальные точки теоретическим распределением, получив значение энергиисвязи равное ε11 ∼ 2,19 эВ. Хотя точность в определении энергии уровнябыла невелика (причины этого будут рассмотрены ниже), важно отметить,что эксперимент и теория подтвердили существование нового механизмаобразования ddµ молекул. При этом следует подчеркнуть, что возможностьуправления скоростью ядерного процесса при изменении температуры среды в столь узком диапазоне ∆Т∼350 К представляет собой уникальноеявление в ядерной физике.Результаты этого эксперимента открыли новую страницу в исследованиях мюонного катализа, благодаря которым отдельные сведения об этомявлении превратились за последние 30 лет в хорошо разработанную область физики, базирующуюся на надежно установленных фактах.261.3Физические характеристики процессов,составляющих мюонный катализРассмотрим последовательность процессов, приводящих в итоге к образованию мезомолекул и ядерному синтезу в них.
Будем использовать следующие обозначения:e и me - соответственно заряд и масса электрона, Z - заряд ядра атома,N – плотность частиц,φ - плотность среды в единицах плотности жидкого водорода, которой соответствует концентрация частиц N0 = 4, 25 · 1022 см−3 , т.е. φ = N/N0 ;mµ и Eµ – масса и кинетическая энергия мюона,λ0 = 0, 455 · 106 c−1 = 1/τ0 – скорость распада мюона, величина, обратнаяего времени жизни,λa - скорость образования мезоатомов,λpd , λpt и λdt – скорости реакций изотопного обмена pµ + d → dµ + p,pµ + t → tµ + p и dµ + t → tµ + d соответственно,λpdµ , λddµ , λdtµ – скорости образования мюонных молекул pdµ, ddµ и dtµсоответственно,λbd – скорость обратного распада (back decay) образовавшейся мезомолекулы ddµ,dtλddf , λf – скорости ядерных реакций синтеза в молекулах ddµ и dtµ,λc - скорость цикла, определяемая общим временем, затраченным мюономна прохождение всех состояний кинетики,λdZ – скорость перехвата мюона с dµ-атома на ядра примеси с зарядомядра Z > 1.Скорости двухчастичных процессов рассеяния λ связаны с сечениями σреакций (в СЦМ) соотношениемe = λφ = N · vrel · σ,λe нормирогде vrel – относительная скорость частиц.
Скорости с тильдой λваны на плотность жидкого водорода φ. Иногда для нормированных скоростей используют большие буквы Λ.27Образование мезоатомов. Первым процессом, происходящим послепопадания мюонов в среду изотопов водорода, является образование мезоатомов. Время, затрачиваемое на торможение мюонов с энергией отнескольких МэВ до энергий ∼10 эВ, составляет ∼10−11 с. При указаннойэнергии, сравнимой с энергией ионизации водорода, отрицательный мюон,сближаясь с атомом, “выталкивает“ из него электрон и образует мюонныйатом в возбужденном состоянии. Говоря более точно, сначала образуетсямолекулярный комплекс вида (ppµe)*, который распадается по двум наиболее вероятным каналам:(1) прямой диссоциацией на мюонный атом и обычный атом(ppµ− e)⋆ → (µ− p)⋆ + (pe),и(2) Оже-переходом в промежуточный мю-ионный компекс (с испусканиемэлектрона) с последующим распадом этого комплекса на мюонный атом ввозбуждённом состоянии и ядро изотопа водорода(ppµ− e)⋆ → (ppµ− )+⋆ + e → (µ− p)⋆ + p + e.Учитывая размер атомных орбит, можно считать, что в момент образования мюонные атомы имеют значение главного квантового числаn=11 ÷ 13, с наиболее вероятным орбитальным квантовым числом l=7 ÷ 9.Оценки средней кинетической энергии мезоатомов дают следующие величины – 0,9, 0,5 и 0,4 эВ, соответственно для pµ, dµ и tµ – атомов [36, 37].Последующие процессы девозбуждения включают в себя химическую диссоциацию молекул среды, внешний Оже-эффект, приводящий к ионизациимолекул среды, радиационные переходы и упругое рассеяние.
Все эти процессы идут с высокой скоростью ∼1011 с−1 в среде жидкого водорода, а прирабочем давлении в мишенях ∼50÷100 атм. основное состояние мезоатомовдостигается за время меньшее ∼1 нс. Что касается их энергетического распределения после каскада, то оно до работы [38] полагалось находящимсяв области ∼0,5÷1 эВ. Ситуация кардинально изменилась, когда в эксперименте с πp-мезоатомами, поставленном в PSI (Швейцария) в 1994 году,28было обнаружено, что в момент поглощения пионов в водороде, соответствующего возбуждённому состоянию мезоатомов n=3,4, они могут иметьэнергию ∼70 эВ с вероятностью достигающей 40% [39]. Такие мезоатомыобнаруживались по уширению временного спектра нейтронов, образовавшихся в захвате π-мезонов протонами: π − p→π 0 + n.
Механизм образования”горячих” мезоатомов был объяснён в [38] кулоновским девозбуждением(pµ)n + p → (pµ)n−1 + p ,(1.1)в котором выделившаяся энергия перехода между последовательными состояниями мезоатома делится как кинетическая энергия между участвующими в столкновении частицами. Теория предсказывает [40, 41, 42], чтокулоновское девозбуждение может увеличить кинетическую энергию мезоатома до десятков электроновольт. Важно отметить, что поскольку умюонных атомов практически отсутствует поглощение за счет сильноговзаимодействия, в отличие от пионных атомов, то разрядка в них идет доосновного состояния с заметным вкладом высокоэнергетичного ”хвоста”,достигающего 40÷50% в диапазоне давлений от 10 атм.
до плотности жидкого водорода. Таким образом, при взаимодействиях со средой возбужденного мюонного атома возможны как его торможение, так и ускорение. Вконечном счете, полной термализации в процессе каскада не происходити энергетическое распределение мюонных атомов в 1s-состоянии совсемне Максвелловское. Заметим, что этот результат существенно повлиял нарасчеты кинетики каскадных процессов, а также на понимание стартовыхусловий для последующей термализации мезоатомов.Ещё один источник ”горячих” мюонных атомов – это реакции перехвата мюона с более легкого на более тяжёлый изотоп водорода.
Перехватынеобратимы, поскольку энергии связи мезоатомов растут с массой:∆E(dµ)n −(pµ)n =135/n2 эВ,∆E(tµ)n −(dµ)n =48/n2 эВ.∆E(tµ)n −(pµ)n =122/n2 эВ.При этом атом, перехвативший мюон, получает значительную энергию, например, dµ – до 43 эВ, tµ – до 19 эВ. В смесях изотопов водорода реакции29перехвата мюонов происходят не только из основного, но и из возбужденных состояний, главным образом с n<4. Согласно теоретическим оценкам[43] эта скорость достаточно велика, что может конкурировать с девозбуждением легких атомов (dµ- атомов, например, в случае D/T смеси), врезультате чего только часть из них достигает основного состояния с вероятностью q1s < 1.
Эту вероятность можно выразить через скорости девозбуждения λdex и перехвата λtr , усредненные по возбужденным состояниямdµ - атома: q1s = λdex / λdex + λtr . Соответственно для тяжелого изотопаэта вероятность будет равна (1 – Сd ·q1s ). Значение q1s зависит от плотности среды и от концентрации тяжелого изотопа в смеси. Оно являетсяодним из параметров, определяющих условия достижения максимальногоколичества циклов на один мюон.Термализация мюонных атомов. После процесса девозбуждения мезоатомов (и одновременно с ним) идёт их замедление за счет упругих инеупругих столкновений с атомами среды, а при энергиях ниже 1 эВ –также и с молекулами. При рассеянии на тождественных атомах кромеупругого рассеяния возможно также рассеяние с переворотом спина (F)мюонных атомов:pµ(F=1) + p→ pµ(F=0)+ p + 0,183 эВ,dµ(F=3/2) + d→ dµ(F=1/2) + d + 0,0485 эВ,tµ(F=1) + t→ tµ(F=0) + t + 0,238 эВ.Видно, что кроме мезоатомов дейтерия, остальные переходы практическинеобратимы при нормальных температурах, что позволяет накапливать мезоатомы именно в нижнем спиновом состоянии.В Таблице 1.1 приведена подборка данных по скоростям процессов изотопного обмена и спин-обменных соударений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
