A study of the synthesis and properties of superheavy nuclei are both the main stream subjects of experimental nuclear physics. Researchers of LBNL in Berkeley, GSI in Darmstadt, IJNR in Dubna RIKEN and Jyväskylä discover new nuclei at the borders of the periodic system and measure basic properties (binding energies, spectroscopic data, half lives, etc.) of this nuclear systems. The existing theoretical models do not reproduce this data in a satisfactory way. In order to plan new interesting experiments one have to improve the existing nuclear models.
The main goal of the project is the description of heavy and superheavy nuclei (mass, density distribution of the nucleons, shapes) in the ground state and their decay properties like fission barriers, fission pathways, and clasters emission. The project aims to describe bimodal and multimodal fission (see eg. A. Staszczak, A. Baran, J. Dobaczewski, and W. Nazarewicz. Microscopic description of complex nuclear decay: Multimodal fission. Phys. Rev. C, 72:014309, 2009, where the trimodal fission of some even-even Rf, Sg and Hs isotopes was discovered.)
In calculations we will use selfconsistent description of Hartree-Fock plus BCS (HF+BCS) type and Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) which are based on Skyrme or Gogny interactions and consisting of short two particle state dependent correlations - state dependent pairing.
In the case of the pairing interaction we will apply projection methods constraining the particle number of nucleons and angular momentum. To do this we shall use Lipkin-Nogami type methods.The next task is to search for toroidal nuclei and their stability.
We cooperate with the following scientific centers studying the similar subjects: Warsaw University (prof. J. Dobaczewski), Universidad Autonomia de Madrid (prof. J. Luis Egido, prof. Luis Robledo), Universidad Barcelona (prof. X. Vinas, prof. M. Centelles), Oak Ridge National Laboratory and University of Tennessee (prof. W. Nazarewicz).
Synteza pierwiastków superciężkich oraz badanie ich własności stanowią ważny kierunek badań eksperymentalnej fizyki jądrowej. Naukowcy z laboratoriów w Berkeley, Darmstadt, Dubnej, RIKEN i Jyväskylä dokonują odkryć nowych jąder pierwiastków z granic układu okresowego, jak również przewidują ich podstawowe własności, takie jak: energie wiązania, dane spektroskopowe, połowiczne czasy zaniku itp. Stwierdzić jednak należy, że w większości przypadków uzyskiwane dane doświadczalne nie są odtwarzane w zadowalający sposób przez istniejące modele teoretyczne. Dysponowanie lepszymi modelami teoretycznymi jest niezbędne do planowania kolejnych eksperymentów naukowych.
Głównym celem projektu jest opis własności (mas, rozkładów gęstości
nukleonów, kształtów równowagi) jąder ciężkich i superciężkich w
stanach podstawowych, jak również własności ich rozpadów, barier i
ścieżek do rozszczepienia oraz emisji klastrów. W ramach projektu
opisane zostaną także specyficzne typy rozpadów jąder, takie jak
bimodalne rozszczepienie nuklidów z obszaru A=258 (gdzie pojawia się
dodatkowa składowa w rozkładach gęstości energii kinetycznej
fragmentów) oraz ostatnio przewidziane przez autorów projektu
rozszczepienie trimodalne parzysto-parzystych
izotopów Rf, Sg i Hs [A. Staszczak, A. Baran, J. Dobaczewski,
and W. Nazarewicz. Microscopic description of complex nuclear
decay: Multimodal fission. Phys. Rev. C, 72:014309, 2009].
W planowanych badaniach zastosowane zostaną
Zespół posiada doświadczenie w teoretycznym opisie własności jąder
atomowych z zastosowaniem obu wspomnianych powyżej modeli
samozgodnych. W dotychczasowych badaniach pokazaliśmy, że modele
samozgodne, które w jednolity sposób opisują układy jądrowe wielu
ciał, są bardziej odpowiednie niż modele makroskopowo-mikroskopowe
(MM). W przypadku jąder superciężkich eksperymentalne energie wiązania
są lepiej odtwarzane w modelach samozgodnych HF+BCS i HFB niż w
półklasycznym modelu MM. Pilotażowe badania barier i czasów
połowicznego zaniku w procesie spontanicznego rozszczepienia tych
jąder pokazały, że zastosowanie różnych modeli sił pairing zerowego
zasięgu (zależnych od stanów jednocząstkowych oddziaływujących
nukleonów) zamiast zwykle stosowanych sił monopol-pairing ma
zasadniczy wpływ na parametry masowe i bariery na rozszczepienie
[Baran, Łojewski, Sieja, 2004], a w końcowym efekcie na czasy
połowicznego zaniku. Jednym z zadań projektu będą systematyczne
obliczenia dotyczące mas, deformacji równowagi, wysokości barier oraz
czasów życia ze względu na spontaniczne rozszczepienie ciężkich i
superciężkich jąder atomowych w modelach samozgodnych HF+BCS i HFB z
oddziaływaniami pairing zerowego zasięgu.
Kolejnym zadaniem w ramach projektu będzie udoskonalenie sposobu
rozwiązywania zagadnienia pairing poprzez zastosowanie metod
rzutowania pozwalających na zachowanie właściwej liczby cząstek oraz
momentu pędu. Dotychczas nie wykonano obliczeń wymienionych wyżej
własności z zachowaniem wszystkich symetrii układów jądrowych -
najpowszechniej stosowane przybliżenia i metody (np. BCS) łamią
symetrię liczby cząstek i symetrię obrotową. Zastosowanie
przybliżonej metody rzutowania Kamlah’a-Lipkina-Nogamiego oraz
dokładnej metody rzutowania pozwoli na bardziej wierne odtworzenie
własności jądrowych.
Przewiduje się, że minima energii potencjalnej niektórych jądrer
superciężkich odpowiadają kształtom o geometrii
toroidalnej. Zamierzamy podjąć badania stabilności tego typu
egzotycznych jąder.
Badania będą prowadzone we współpracy z ośrodkami naukowymi
zajmującymi się teorią jądra atomu, zarówno krajowymi - Uniwersytet
Warszawski (prof. J. Dobaczewski), jaki i zagranicznymi: Universidad
Autonomia de Madrid (prof. J. Luis Egido, prof. Luis Robledo),
Universidad Barcelona (prof. X. Vinas, prof. M. Centelles), Oak Ridge
National Laboratory i University of Tennessee (prof. W. Nazarewicz).
Eksperymenty wykonane w Dubnej, Darmstadt i Berkeley, RIKEN w Japonii
oraz w Jyvaskyla potwierdziły istnienie przewidzianej wcześniej
teoretycznie wyspy stabilności w obszarze jąder superciężkich [6 i
cytowane tam prace]. Wciąż jednak pozostaje pytanie, jak duży jest ten
obszar i czy istnieją w nim pierwiastki długożyciowe. Jaka jest
systematyka tych obserwabli. Odpowiedzi na nie mogą udzielić
przewidywania teoretyczne, których poprawność można zweryfikować w
oparciu o istniejące obecnie dane doświadczalne.
Dotychczasowe badania mające na celu zarówno opis własności, jak i
rozszczepienia jąder atomowych głównie w modelach
makroskopowo-mikroskopowych zawierały poprawki pairing oparte na
prostym modelu, zakładającym, że oddziaływanie to jest tak samo silne
dla każdego nukleonu w jądrze, bez względu na stan energetyczny w
jakim się on znajduje. Tego typu podejście prowadzi do uśrednienia
własności nadprzewodnikowych jądra i nie uwzględnia struktury par
nukleonowych, jak też nie bierze pod uwagę zależności od gęstości
cząstek. Zastosowanie oddziaływania pairing zależnego od stanu (siły
delta zależne od gęstości) pozwali na lepsze odtworzenie tej
struktury.
Modele samozgodne Hartree’go-Focka z siłami Gogny’ego i Skyrme’a dają
najlepsze średnie promienie kwadratowe jąder atomowych. Zamierzamy
wykorzystać ten fakt i zbadać równowagowe rozmiary jąder w wymienionym
obszarze.
Struktura jednocząstkowa w obszarze równowagowym, jak też
prawdopodobieństwa rozpadów różnego rodzaju, określają stabilność
jąder, wyznaczając tzw. liczby magiczne. Określimy te
prawdopodobieństwa w oparciu o samozgodne modele Skyrme’a i Gogny’ego.
Do oszacowania mas, deformacji równowagi, barier na rozszczepienie i
czasów życia jąder superciężkich zamierzamy zastosować w pełni
samozgodny rachunek oparty na oddziaływaniach Skyrme’a, Gogny’ego oraz
na modelu relatywistycznego średniego pola ze zmodyfikowanymi
oddziaływaniami pairing zależnymi od stanu i gęstości; pairing
objętościowo-powierzchniowy przy uwzględnieniu poprawek związanych z
zachowaniem dobrej liczby cząstek i momentu pędu. Poprawione o
energie rotacyjne i energie drgań zerowych stany podstawowe pozwolą
ulepszyć systematykę mas jąder i/lub wskazać nowe kierunki
badań. Zespół uczestniczący w projekcie posiada bogate doświadczenia
związane z obliczeniami poprawek rotacyjnych i wibracyjnych.
Należy zaznaczyć, że bariery zawierać będą korekcje związane z
drganiami zerowymi układu (tzw. zero point energies, ZPE) oraz
korekty rotacyjne związane z niezachowaniem momentu pędu w
układzie. Korekty te można obliczyć pod warunkiem, że znamy parametry
masowe oraz momenty bezwładności jąder. Jesteśmy w posiadaniu modeli
oraz numerycznych kodów (narzędzi) potrzebnych do ich wyznaczenia.
Na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat spontaniczne
rozszczepienie jąder atomowych było badane zarówno od strony
eksperymentalnej jak i teoretycznej. Odkryto, że proces przebiega
różnie dla różnych jąder, dając jakościowo odmienne wyniki doświadczeń
[4,7]. Rozkład mas jąder w procesie rozszczepienia i rozkład
całkowitej energii kinetycznej fragmentów pozwala wyróżnić kilka typów
rozpadów w rejonie Z~100:
Proces roszczepienia zależy od kształtu drugiej bariery potencjału
[8-13]. W obszarze tym mogą pojawić się różne ścieżki prowadzące do
rozpadu. Jedna z nich (kształty odbiciowo symetryczne) prowadzi do
rozszczepienia na fragmenty o równych masiach i dużej całkowitej
energii kinetycznej. Inna (kształty odbiciowo asymetryczne) prowadzi
do rozpadu na nierówne fragmenty z mniejszymi wartościami całkowitej
energii kinetycznej. Topografia ścieżek ma decydujące znaczenie dla
własności rozszczepienia [8,13,25]. Poprawny opis teoretyczny
zależności pomiędzy kształtem powierzchni energii potencjalnej w
rejonie drugiej bariery, a właściwościami rozszczepienia nie został do
tej pory przeprowadzony.
W ramach obecnego projektu planowane jest dokładne przeanalizowanie
topologii powierzchni energii potencjalnej przykładowych jąder
reprezentujących różne typy rozszczepienia (252Cf, 256Fm, 258Fm,
260Rf). Badane będą zarówno rozwiązania przed, jak i po rozpadzie
jądra na dwa fragmenty.
Otrzymane wyniki pozwolą zrozumieć przyczynę powstania różnic w
spontanicznym rozszczepieniu jąder o zbliżonych masach. Wyjaśniona
zostanie przyczyna powstania asymetrycznego bądź symetrycznego
rozkładu masy fragmentów rozszczepienia. Wiedza ta może być
wykorzystana do analizy stabilności i właściwości jąder
superciężkich. Rezultaty obliczeń kształtów fragmentów jądra tuż po
rozpadzie mogą być również przydatne do lepszego opisu procesu fuzji
jąder zdeformowanych.
Projekt przewiduje też dokładne zbadanie zjawiska trimodalnego
rozszczepienia przewidzianego niedawno przez autorów projektu
[25]. Wymaga to dalszych studiów i badań jak też opisu dynamicznego,
gdzie na pewno uda się stwierdzić czy przewidywania te są trafne. Opis
dynamiczny jest możliwy dzięki jednolitemu podejściu, w którym mamy
jednocześnie bariery na rozszczepienie i parametry masowe.
Projekt zakłada dalszą optymalizację kodów numerycznych oraz ich
paralelizację dla celów obliczeń wielkoskalowych.
Zespół przystępujący do realizacji niniejszego projektu aktywnie
uczestniczył w badaniach tego rodzaju i posiada duże osiągnięcia na
tym polu (np. metoda dynamicznych obliczeń czasów życia ze względu na
spontaniczne rozszczepienie, wyznaczanie czasów życia jąder
nieparzystych zarówno w kanale emisji klastrów, jak i
rozszczepienia). Te doświadczenia będziemy chcieli wykorzystać w
projekcie. Jednocześnie zespół, który będzie pracować nad projektem,
ma duże osiągnięcia w rozwoju badań własności jąder ciężkich oraz w
obliczeniach metodami samozgodnymi. To wróży sukcesy w tematyce
podjętej w projekcie.
Grupa realizująca projekt dysponuje unikalnymi, w skali światowej,
kodami numerycznymi, które jednolicie i samozgodnie wyznaczają
powierzchnie energii jądrowych wraz z poprawkami dla energii zerowej
oraz rotacyjnej. Kody te wyliczają też odpowiednie parametry masowe
(cranking, gaussian overlap approximation, ATDHFB). Są to programy
oparte na oddziaływaniach Skyrme’a i oddziaływaniu Gogny’ego. Daje to
podstawę realizacji obliczeniowej części projektu i pozwala również na
prowadzenie prac porównawczych dotyczących modeli samozgodnych.
Rezultaty badań zostaną przedstawione w formie publikacji w
międzynarodowych czasopismach fizycznych i będą prezentowane na
konferencjach naukowych poświęconych fizyce jądrowej zarówno
krajowych, jak i zagranicznych.
Rezultaty badań zostaną przedstawione w formie publikacji w
międzynarodowych czasopismach fizycznych i będą prezentowane na
konferencjach naukowych poświęconych fizyce jądrowej. Wyniki
prac będą przekazywane fizykom doświadczalnym zajmującymi się jądrami
superciężkimi.
Cel naukowy projektu
Znaczenie projektu
Projekt dotyczy zagadnień teoretycznego wyjaśnienia zjawisk związanych
z rozszczepieniem (spontaniczne, multiomodalne, emisja klastrów) oraz
egzotyczną strukturą (geometria toroidalna) jąder superciężkich i jako
taki ma głównie charakter teoriopoznawczy. Rozszczepienie
multimodalne oraz emisja klastrów to zjawiska, których zrozumienie
pozwoli dokładniej przewidywać wyniki reakcji jądrowych. W tym sensie
wyniki badań będą wskazówką dla dalszego rozwoju jądrowej fizyki
doświadczalnej. Można bowiem twierdzić, że badania eksperymentalne
emisji klastrów, rozszczepienia multimodalnego i egzotycznych
konfiguracji toroidalnych dostarczą wiedzy o rzeczywistości jądrowej.
Projekt zakłada również optymalizację warsztatu obliczeniowego, co w
przyszłości pozwoli na prowadzenie dalszych obliczeń w tej dziedzinie.
Istniejący stan wiedzy w zakresie tematu badań
(Komentarz. Literatura przedmiotu jest bardzo obszerna i nie podajemy
jej w komplecie. Częściowe osiągnięcia w tej tematyce autorów projektu
obrazują spisy literatury podane w ankietach personalnych wykonawców
projektu oraz w literaturze na końcu niniejszego opracowania. Obszerny
przegląd metod samozgodnych Hartree’go-Focka i ich dotychczasowych
zastosowań w opisie struktury jąder atomowych można znaleźć w
przeglądowych pracach [1-5]. Doświadczalne problemy i historię odkryć
superciężkich przedstawiono natomiast w przeglądowej pracy [6])
Oddziaływania resztkowe w kanale cząstka-cząstka (pairing)
Deformacje równowagi, struktura i stabilność
Wyznaczając powierzchnie energii jądrowej jesteśmy w stanie
przewidzieć położenia równowagi jąder (ich kształty, a więc również
momenty multipolowe rozkładu ładunku w jądrze) oraz ich promienie.
Masy jąder atomowych
Jak pokazano, zastosowanie poprawki pairing opartej na siłach delta
zależnych od stanu i gęstości nukleonów pozwala na określenie mas
jądrowych z dokładnością porównywalną do najlepszych istniejących
obecnie modeli mas. Zastosowanie tego typu oddziaływań wpływa również
na wysokości barier na rozszczepienie i poprawia czasy życia jąder
superciężkich.
Parametry masowe [22-23]
Opis rozszczepienia nie jest możliwy beż znajomości dynamicznych
charakterystyk procesu. Takimi są parametry masowe. Dotychczas,
podobnie jak bariery na rozszczepienie, były one obliczane głównie w
modelach makroskopowo-mikroskopowych, ze względu na łatwość
rachunkow. Były to parametry z najprostszego modelu dynamiki jądrowej,
a mianowicie modelu cranking. W obecnym projekcie proponujemy
obliczenie ich w kilku modelach. Są one oparte na najbardziej ogólnej
teorii ruchów adiabatycznych (Adiabatic Time Dependent
Hartree-Fock-Bogoliubov (ATDHFB) theory). W jej ramach otrzymaliśmy
już odpowiednie formuły, które zostały w części sprawdzone, na
parametry masowe. Są one oparte na różniczkowaniu macierzy gęstości
i/lub macierzy korelacji. Pierwsze prace pokazały zasadność takiego
podejścia. Przykładowe wartości parametrów masowych dla jąder fermu
pokazane są na rysunku.
Specyficzne typy rozszczepienia [8-13,19-21,25]
Samozgodne modele Hartree’ego-Focka i Hartree’ego-Focka-Bogolubowa z
efektywnymi siłami Gogny’ego i Skyrme’a przy zadanych więzach
kwadrupolowych (i wyższych multipolowości) generują bariery na
rozszczepienie oraz stabilne konfiguracje jądrowe, których nie da sie
otrzymać przez zastosowanie modeli
makroskopowo-mikroskopowych. Energie wyliczonych samozgodnie
konfiguracji są najniższe z możliwych i charakteryzują się zupełnym
zestawem deformacji multipolowych. Pozwala to w pełni opisać
rozszczepienie i egzotyczne, np. toroidalne układy kształtów. Już
teraz, stosując proste więzy, wiemy (patrz podana literatura), że
czasy życia, eksperymentalnie znane, ze względu na rozszczepienie
spontaniczne, są prawie odtwarzane. Należy sądzić, że można tę
zgodność poprawić przy zastosowaniu bardziej dokładnych analiz
(patrz wyniki obliczeń dla izotopów fermu, Rysunek).
Emisja klastrów [17-18]
Jednym z egzotycznych procesów jądrowych jest emisja
klastrów (lekkich jąder) z jąder aktynowców. Proces ten
odkryty stosunkowo niedawno (Rose, Jones, Nature 1984) może być z
powodzeniem opisywany jako spontaniczne rozszczepienie o bardzo dużej
asymetrii fragmentów. Bardzo wysokie bariery na rozszczepienie
odpowiadające takim rozpadom znalezione dla niektórych zbadanych
doświadczalnie jąder generują bardzo długie czasy życia, co odpowiada
wynikom doświadczalnym.
Jądra toroidalne [14-16]
W obszarze deformacji kwadrupolowej typu “oblate” (płaskie
kształty) istnieją obszary, dla których w przypadku wielu jąder
atomowych przewidujemy stabilne rozwiązania HF z powierzchnią jądrową
o genusie 1, co odpowiada kształtom toroidalnym. Rozwiązanie to
przewidziano wcześniej w modelu Skyrme’a [15,16]. Stabilność takich
rozwiązań jest jednym z zadań projektu. Optymalizacja numerycznych
obliczeń samozgodnych [24].
Programy numeryczne i ich optymalizacja
Program numeryczny, którym dysponujemy jest rozszerzonym przez nas o
obliczenia parametrów masowych kodem HFODD (wersja
opublikowana). Drugi program to kod realizujący obliczenia z siłami
Gogny’ego o skończonym zasięgu. Pomimo swojej efektywności, kody te
wciąż wymagają optymalizacji, szczególnie w przypadku obliczeń
masowych, wielkoskalowych, które są niezbędne przy opisie
rozszczepienia. Dotychczasowe prace nad optymalizacją doprowadziły do
implementacji metody Broydena [24], która kilkakrotnie zwiększyła
efektywność rachunków (patrz Rysunek).
Metodyka badań
Metodyka badań oparta jest o samozgodne modele Hartree’ego-Focka z
oddziaływaniami Skyrme’a i Hartree’go-Focka-Bogoliubowa z
oddziaływaniami Gogny’ego. Dodatkowo, włączono do badań nowe,
resztkowe oddziaływania w kanale cząstka-cząstka, które zależą od
gęstości nukleonowych, tzw. density dependent delta interactions
(DDDI). Jednocześnie, w sposób naturalny, zostają włączone do opisu
egzotyczne obszary deformacji jądrowych, a to poprzez więzy w
przestrzeni momentów multipolowych o skończonej liczbie wymiarów (dwa
lub trzy więzy; określone momenty: kwadrupolowy, oktupolowy oraz
heksadekapolowy). Pozostałe deformacje ustalają się w procesie
samouzgadniania. W dotychczasowych badaniach własności jąder
superciężkich metodyka opierała się na modelu
makroskopowo-mikroskopowym z określoną rodziną kształtów jądrowych.
Wymierny, udokumentowany efekt podjętego problemu