ОЛИМПИЯ

Эксперимент ОЛИМПИЯ

Эксперимент ОЛИМПИЯ (ОЛИвины из Метеоритов - Поиск тяжелых И сверхтяжелых Ядер) был предложен группой сотрудников ФИАН в 2005 г. и поддержан академиками В.Л.Гинзбургом, Е.Л.Фейнбергом и Ю.Ц. Оганесяном. Проект осуществляется по настоящее время в сотрудничестве с Институтом геохимии и аналитической химии им. Вернадского РАН, Научно-исследовательским институтом ядерной физики им. Д.В.Скобельцына МГУ, Лабораторией высоких энергий ОИЯИ, Институтом геохимии окружающей среды НАНУ.

Основной интерес при осуществлении эксперимента направлен на поиск ядер ультратяжелой (82 ≤ Z ≤ 92) компоненты в галактических космических лучах. Вопрос о существовании сверхтяжелых ядер имеет важнейшее значение для понимания свойств ядерной материи. Прежде всего, представляет интерес проверка предсказания значительного увеличения стабильности ядер вблизи магических чисел Z = 114 и N = 184 (N- число нейтронов), которое могло бы приводить к существованию в этой области "островов стабильности" сверхтяжелых ядер. Одновременно не исключена вероятность существования "островов стабильности" для еще более тяжелых (Z > 118) ядер. Для поиска и обнаружения таких трансфермиевых ядер использование космического излучения является одним из наиболее целесообразных путей исследования.

Различными оттенками серого показана распространенность изотопов в условиях высокой плотности нейтронов

Для образования ядер сверхтяжелых элементов необходимы условия, возникающие при выбросе в межзвездную среду сильно нейтронизованного вещества, что может происходить, например, при слиянии нейтронных звезд в процессе эволюции тесных двойных систем или струй с поверхности нейтронных звезд. В силу ограниченности условий, необходимых для их рождения, поток сверхтяжелых ядер в околоземном космическом пространстве очень мал. При таких условиях эти ядра могут быть зарегистрированы только детекторами с очень длительной экспозицией, каковыми являются метеориты - трековые детекторы природного происхождения, существование которых в галактическом пространстве достигает сотен миллионов лет. Радиационный возраст и, следовательно, время экспозиции в потоке ГКЛ для метеорита Марьялахти достигает ~ 185 млн., а для метеорита Игл Стэйшн ~ 300 млн. лет. Именно поэтому кристаллы оливина из этих двух метеоритов содержат большое число треков космических ядер. В 1 см³ кристаллов оливина из этих палласитов, расположенных на глубине меньше ~ 5 см от доатмосферной поверхности метеороида, за 10⁸ лет может быть образовано 10²-10³ треков ядер с Z > 90, а в кристаллах из приповерхностных участков метеорита (глубина до ~ 1 см) - до 10⁴ треков. Таким образом, использование фактора длительной экспозиции метеоритов в космосе приводит к огромному преимуществу данного метода по сравнению с методами, основанными на использовании различных детекторов, экспонированных на ИСЗ, космических станциях и аэростатах.

Метеориты класса палласиты состоят из железо-никелевой "матрицы", в объеме которой находятся многочисленные включения кристаллов оливина, прозрачного минерала желтоватого цвета, размером до 1-2 см. В эксперименте ОЛИМПИЯ используется способность этих силикатных кристаллов, составляющих до 60% палласитов, регистрировать треки ядер галактического космического излучения с Z≥20. Была разработана эффективная методика выявления треков ядер сверхтяжелых (Z > 60) элементов путем химического травления образцов кристаллов оливина, предварительно подвергнутых высокотемпературному термическому отжигу. Целью последнего было практически полное удаление треков от значительно более распространенных ядер ГКЛ с зарядом Z ≤ 40.

Образец метеорита Игл Стейшн, используемый для исследований в проекте ОЛИМПИЯ

Для просмотра образцов кристаллов оливина с целью поиска и измерения параметров треков тяжелых и сверхтяжелых ядер космических лучей используется современный высокоэффективный измерительный комплекс ПАВИКОМ.

Треки ядер урана (Е=150 МэВ/нуклон) в оливине при увеличении под микроскопом

Треки сверхтяжелых ядер, протравленные в кристаллах оливина, в силу особенностей механизма формирования, имеют форму "шприца". Измерение характерных точек такого трека позволяет определять параметры образовавшей его частицы, в том числе ее заряд. На рисунке показаны микрофотографии треков ядер сверхтяжелых элементов ГКЛ, травимых в кристаллах оливина из палласитов, и результаты компьютерной обработки программы распознавания образов.

Треки сверхтяжелых ядер космического излучения, измеренные на ПАВИКОМ

К концу 2013 года обработано более 7000 треков с зарядом, превышающим 55 единиц, среди них несколько треков длиной более 360 мкм, которые интерпреттруются как треки ядер с Z ≥ 110. В том числе, обнаружено три сверхдлинных трека с оценкой заряда 105<Z<130, причем заряд одного из этих ядер оценивается как Z>119(+10 -6).Именно такие ядра должны образовывать острова стабильности. Обнаружение их в природе подтверждает справедливость теоретических предсказаний и оправдывает усилия по их синтезу в земных условиях.

Один из длинных треков сверхтяжелых ядер в кристалле оливина

На рисунке внизу показаны результаты проведенных трековых исследований кристаллов оливина из метеоритов Марьялахти (Marjalahti) и Игл Стейшн (Eagle Station).

Распределение ядер галактического космического излучения по зарядам, полученное в эксперименте ОЛИМПИЯ (красные кресты) даны в сравнении с данными электронных экспериментов HEAO-3 (зеленые квадраты) и ARIEL-6 (синие круги).