Historia Zakładu Spektroskopii Jądrowej 1973-1995

Nowy zakład Instytutu Fizyki Doświadczalnej

Na początku lat 70. dyrektor Instytutu Fizyki Doświadczalnej Jerzy Pniewski, i jego zastępca Sławomir Chojnacki, wystąpili z inicjatywą budowy w Warszawie laboratorium ciężkojonowego cyklotronu w wersji U-200 opracowanej w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych, w Dubnej.

W związku z tą inicjatywą Jan Żylicz, pracownik Instytutu Badań Jądrowych w Świerku, został w 1972 r. zaproszony do podjęcia pracy w Uniwersytecie Warszawskim i utworzenia w IFD Zakładu Spektroskopii Jądrowej.

ZSJ został powołany przez Rektora UW w 1973 r. Wśród pierwszych fizyków w nim zatrudnionych byli Wiktor Kurcewicz (od początku) i Andrzej Płochocki (od 1974 r.). Ich wkład do tworzenia od podstaw i rozwoju Zakładu był niezwykle ważny.

Przed ZSJ postawione zostało zadanie przygotowania wycinka tematyki badań przyszłego laboratorium cyklotronowego, połączone ze szkoleniem kadry i budową aparatury pomiarowej. Miało to być uzupełnienie planów i działań innych zespołów polskich, m.in. Zakładu Fizyki Jądra Atomowego IFD.

Wybór tematyki badań

Wybór podstawowej tematyki padł na badania struktury i promieniotwórczości nuklidów bardzo dalekich od ścieżki stabilności beta. O wyborze decydowały względy poznawcze - możliwość weryfikowania modeli jądrowych w warunkach ekstremalnych i uzyskiwania danych niezbędnych dla analizy procesów nukleosyntezy w gwiazdach. Ponadto liczyło się doświadczenie pierwszych pracowników Zakładu z okresu, kiedy byli związani z IBJ. Istotne były również przewidywane własności cyklotronu - duże natężenia wiązek, mające zasadnicze znaczenie dla wytwarzania egzotycznych nuklidów w reakcjach o bardzo małych przekrojach czynnych. Natomiast duża emitancja i niski współczynnik wypełnienia czasowego wiązki, niekorzystne dla innych badań, odgrywają tu mniejszą rolę.

Badania nuklidów dalekich od ścieżki stabilności są wciąż głównym, lecz nie jedynym nurtem badań prowadzonych przez ZSJ.

Działalność do czasu uruchomienia cyklotronu

Prace nad cyklotronem były prowadzone w Dubnej przez pracowników IBJ i IFD już w połowie lat 70. Budowa laboratorium w Warszawie ruszyła w 1978 r. W następnym roku zostało powołane Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów przy Uniwersytecie Warszawskim. Początek lat 80. przyniósł zamrożenie prac na długi okres. Uruchomienie cyklotronu nastąpiło dopiero w 1994 r.

Czas oczekiwania na cyklotron był wykorzystany przez Zakład na prowadzenie badań w tych ośrodkach zagranicznych, które miały nowoczesne akceleratory i odpowiednią apara-turę do badania nuklidów dalekich od stabilności, w szczególności separatory izotopów i separatory produktów reakcji fragmentacji. Z biegiem czasu nastąpiło pewne rozszerzenie tematyki na badania stanów jądrowych o wysokim spinie i mechanizmu reakcji ciężkojonowych. Współpraca obejmowała instytuty międzynarodowe: ZIBJ i CERN (zespół ISOLDE), ośrodki badań ciężkojonowych: GSI w Darmstadt , GANIL w Caen i LBL w Berkeley, oraz uniwersytety w Bordeaux, Getyndze, Grenoble, Jyväskylä, Kopenhadze, Leuven, Orsay, Oslo, Strasburgu i Uppsali. Badania były prowadzone we współpracy z reprezentantami tych ośrodków, ale inicjatywa naukowa bardzo często była po stronie polskiej, co przejawiało się m.in. w prezentowaniu projektów eksperymentów przed komitetami naukowymi laboratoriów.

Obok tego, w Warszawie, rozwijane były różnorodne badania radioaktywności, nie wymagające akceleratora na miejscu (korzystano z preparatów wyprodukowanych za granicą). Ponadto - przy współpracy z IBJ, potem IPJ - prowadzone były eksperymenty na wiązce akceleratora liniowego w Świerku (rozszczepienie toru pod wpływem protonów) i akceleratora Van de Graaffa w Warszawie (badania jonizacji powłoki K atomu przez cząstki naładowane).

Prowadzenie doświadczalnych badań w ośrodku warszawskim, mimo trudnych warunków, było konieczne dla szkolenia studentów i młodych pracowników Zakładu. Jednak wykonywanie części badań w ośrodkach zagranicznych (ZIBJ, CERN i uniwersytetach w Aarhus, Erlangen, Jyväskylä, Moguncji) i w tym przypadku było ważne, pozwalając na pełniejszą realizację programu badań.

Przegląd wyników - nuklidy dalekie od ścieżki stabilności.

Pierwszym etapem badania nuklidów dalekich od stabilności jest identyfikacja nowych izotopów. Pracownicy ZSJ są współodkrywcami 171 izotopów. Dla 99 z nich zmierzono co najmniej czasy życia (np. A.Płochocki, habilitacja 1986; K.Rykaczewski, doktorat 1983; Z.Janas, doktorat 1993), a dla pozostałych, przy zastosowaniu separatora fragmentów (tu pierwszym ekspertem Zakładu jest Marek Pfutzner), ustalono liczby Z i A. W drugim etapie uzyskiwane były pełniejsze informacje o rozpadach i masach poszczególnych nuklidów. Badania te wnoszą wkład m.in. do ustalenia przebiegu linii oderwania protonu ("proton drip line"), a także analizy dróg wychwytu protonu (proces rp) lub neutronu (proces r) w gwiazdach.

Znaczna część tej działalności koncentrowała się na obszarze 100Sn, podwójnie magicznego jądra o niedoborze ponad 18 neutronów w stosunku do "środka ciężkości" trwałych izotopów cyny. Badania, prowadzone ze strony polskiej (w różnych okresach i różnych zespołach) przez Zenona Janasa,Wiktora Kurcewicza, Andrzeja Płochockiego, Krzysztofa Rykaczewskiego, Jerzego Szerypo i Jana Żylicza, oraz doktorantów - Roberta Grzywacza i Marka Karnego, przyniosły bogate informacje o przemianach jąder z tego obszaru. Wniesiony został poważny wkład do badania przejść beta typu Gamowa-Tellera i renormalizacji pseudowektorowej stałej sprzężenia w stosunku do wartości dla swobodnego neutronu. Wiele nowych i cennych informacji o wysokospinowych stanach jąder bliskich 100Sn wniosły prace "na wiązce", zainicjowane przez Jana Kownackiego (od 1994 r. dyrektora ŚLCJ), do których istotny wkład wniósł Dariusz Seweryniak (doktorat 1994).

W wyniku eksperymentu w GANIL (1994), którego projekt komitetowi naukowemu przedstawił Krzysztof Rykaczewski (1993), 24 jony 100Sn zostały zidentyfikowane wśród produktów fragmentacji 112Sn. Parę tygodni wcześniej izotop ten po raz pierwszy został zaobserwowany przez zespół niemiecki w GSI (identyfikacja 9 jonów wśród produktów fragmentacji 124Xe). Obie prace zostały zaliczone przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne do "eksperymentów 1994 roku" (APS News,vol.4,No.4,kwiecień 1995). Przy okazji eksperymentu w GANIL opracowana została metoda badania mikrosekundowych izomerów (R.Grzywacz i in.) o bardzo dużym znaczeniu, m.in. dla wykrywania nowych stanów izome-rycznych w jądrach bardzo dalekich od stabilności, czy też dla identyfikacji egzotycznych nuklidów (B.Blank et al., Phys.Rev.Lett.74(1995)4611).

Przegląd wyników dotyczących przejść GT i struktury jąder z obszaru 100Sn przynosi rozprawa habilitacyjna Krzysztofa Rykaczewskiego (1995). Wyniki te analizowane były przez teoretyków z kilkunastu ośrodków (Aten, Berlina, Chalk River, ..., Tübingen i Warszawy).

Przegląd wyników innych badań

Wczesne prace naukowe ZSJ były kontynuacją badań prowadzonych w IBJ. Dotyczyły rozpadu alfa i beta aktynowców. Wniosły istotny wkład do ustalenia obszaru statycznej deformacji oktupolowej jąder. Zostały przedstawione m.in. w rozprawie doktorskiej (IBJ 1972) i habilitacyjnej (1981) Wiktora Kurcewicza, doktorskiej Andrzeja Płochockiego (IBJ 1974), i doktorskiej Ewy Ruchowskiej (1984), oraz w referacie Jana Żylicza na konferencji w Dubrowniku (1986). Wyniki tych badań przyczyniły się do wzrostu zainteresowania tematyką oktupolową w latach 80. w Polsce (pierwszym był Adam Sobiczewski) i za granicą. Były wielokrotnie cytowane. O wysokiej wadze do nich przywiązywanej niech świadczy stwierdzenie, że postęp w rozumieniu anomalnych własności jąder lekkich aktynowców stał się możliwy "only after a series of detailed and precise experiments by Kurcewicz and collaborators..." (P.C.Sood, ADNDT 51(1992)273). Wśród późniejszych prac były m.in. badania prowadzone metodami spektroskopii gamma "na wiązce", które wykazały stabilizowanie się deformacji oktupolowej w miarę wzrostu częstości obrotu jądra (A.Celler i in.).

Badania przemiany beta na drodze radiacyjnego wychwytu elektronu (A.Płochocki i in.) przyniosły odkrycie roli wirtualnych przejść okrężnych dla przemian wzbronionych, m.in. 41Ca (doktoraty: M.Pfützner 1989, Ł.Kalinowski 1992) oraz interpretację tych przejść w świetle modelu powłokowego (J.Żylicz i in.). Analogiczne badania dla 55Fe wykazały, wbrew wcześniejszym doniesieniom z Berkeley, że nie ma tu podstaw do twierdzenia o emisji 17 keV neutrina (W.Kurcewicz i in.).

Badania jonizacji powłoki K ciężkich atomów przez cząstki naładowane przyniosły opracowanie oryginalnej metody mierzenia przekroju czynnego (A.Celler, doktorat 1980); dokładne pomiary przeprowadzono dla szeregu tarcz (Z.Żelazny, doktorat 1985).

Prace poświęcone reakcjom jądrowym dotyczyły badania oddziaływania protonów z jądrami 232Th (J.Szerypo, doktorat 1987), wzbudzania izomerów w reakcjach ciężkojonowych (I.Zychor, doktorat 1983), gigantycznych rezonansów diplowych - GDR - w kontekście fuzji ciężkojonowej (Z.Żelazny ze strony ZSJ) i pierwszej obserwacji kulombowskiego rozszczepienia jąder w reakcjach o energiach pośrednich (E.Piasecki i in.).

Wiktor Kurcewicz i Krzysztof Gulda współuczestniczyli w, zainicjowanych przez Jerzego Jastrzębskiego (ŚLCJ), badaniach z zastosowaniem wiązki antyprotonów w CERN, które przyniosły nowe i ważne informacje o "stratosferze" neutronowej jąder ciężkich.

Pracownicy ZSJ brali udział w określaniu skażeń środowiska naturalnego w wyniku katastrofy w Czarnobylu (J.Kownacki, W.Kurcewicz, E.Piasecki).

Aparatura

Badaniom prowadzonym w Polsce towarzyszyło budowanie i kompletowanie aparatury dla przyszłych eksperymentów przy U-200. ZSJ dysponuje obecnie m.in. szeregiem magnetycznych i półprzewodnikowych spektrometrów beta oraz nowoczesnymi germanowymi spektrometrami promieniowania gamma (wydajność standardowa 20-45%). Opracowany i wypróbowany został wieloparametryczny układ zbierania danych (T.Batsch). Opanowano zaawansowane metody radiochemii (B.Szweryn). We współpracy z Markiem Moszyńskim (IPJ) zbudowany został układ do pomiarów ultrakrótkich czasów życia jądrowych stanów wzbudzonych (W.Kurcewicz i K.Gulda ze strony ZSJ).

Badania słabych preparatów promieniotwórczych w warunkach bardzo niskiego tła możliwe są dzięki zbudowaniu specjalnego pomieszczenia przy zastosowaniu ca 12 ton ołowiu.

Szybki transport krótkożyciowych produktów reakcji jądrowych od tarczy do układu pomiarowego zapewnia "jet" helowy i trzy różne układy przenoszenia mechanicznego. Układ "jetu" w pierwotnej wersji został zastosowany w Świerku do transportu fragmentów rozszczepienia toru pod wpływem protonów, a obecnie - w wersji przystosowanej do wydzielania i transportu produktów reakcji fuzji (A.Płochocki, przy technicznej pomocy S.Lewandowskiego) - jest zainstalowany na wiązce cyklotronu U-200.

Część aparatury zbudowanej w Warszawie (E.Piasecki i in.) dla eksperymentów w GANIL, wykorzystanej m.in. w badaniach rozszczepienia kulombowskiego, została przekazana do ŚLCJ.

Do analizy danych z eksperymentów wykonanych w kraju i za granicą używane są dwie stacje robocze ALPHA (DEC) - jedna uzyskana przez Zenona Janasa z fundacji Humboldta - oraz szereg komputerów klasy PC.

Plany na przyszłość

Badania nuklidów bardzo dalekich od stabilności należą wciąż do najważniejszych kierunków współczesnej fizyki jądrowej. Spektakularny postęp w tej dziedzinie możliwy jest m.in. dzięki rozwijaniu w wiodących laboratoriach zagranicznych techniki wiązek radioaktywnych.

ZSJ zamierza w dalszym ciągu prowadzić intensywne badania w tej dziedzinie. Będzie to łączenie prac w ośrodkach zgranicznych, dla realizacji eksperymentów wymagających technik niedostępnych w Polsce, z badaniami na wiązce U-200, tak by wyniki wzajemnie się uzupełniały.

Za granicą będą kontynuowane m.in badania egzotycznych nuklidów przy zasto- sowaniu techniki pełnej absorpcji promieniowania gamma (M. Karny i. in). Przy rozważaniu nowych projektów bierze się pod uwagę w szczególności możliwość eksperymentów z wiązkami neutrono-nadmiarowych jąder w stanach izomerycznych o energii wzbudzenia bliskiej energii wiązania neutronu. Pozwoliłoby to na rozszerzenie badań tzw. halo neutronowego na stany wzbudzone jąder atomowych oraz, w przyszłości, na symulacje procesów zachodzących w pobliżu granic stabilności jądrowej w trakcie nukleosyntezy w gwiazdach (K.Rykaczewski, referat podczas Międzynarodowej Szkoły Fizyki w Piaskach 1995).

W Warszawie, przy zastosowaniu "jetu" helowego podjęte będą badania nuklidów o półokresach rozpadu od sekund do milisekund. Zastosowanie układu Marka Moszyńskiego i in. do pomiaru ultrakrótkich czasów życia stanów wzbudzonych stwarza nadzieję na wyniki dużej wartości już we wczesnej fazie tych eksperymentów. Dalsze nadzieje wiązane są z zainstalowaniem na wiązce U-200 separatora izotopów z IPJ. Program ten jest wspólnym przedsięwzięciem IPJ (Zygmunt Preibisz i inni), ZFJA (Andrzej Wojtasiewicz - koordynator - i inni) i ZSJ (Wiktor Kurcewicz i inni). Przewiduje się również udział ZSJ w spektroskopii gamma "na wiązce". Rozważany jest projekt eksperymentów dotyczących trypartycji (E.Piasecki, Z.Żelazny). Jeden z pracowników ZSJ, Zbigniew Żelazny, już uczestniczy w badaniach GDR zainicjowanych i kierowanych przez Martę Kicińską-Habior (ZFJA).

Zainteresowanie wykorzystaniem cyklotronu U-200 wyrazili nasi zagraniczni partnerzy eksperymentów wykonywanych dotychczas w Darmstadt i Grenoble.

Jan Żylicz