Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

NUCLEAR REACTIONS WITH LIGHT NUCLEI FOR ENERGY INTERVAL UP TO 10 MEV-10GEV

Grishkan Yu.S. 1 Doronkina S.V. 1
1 Southern Federal University
1604 KB
It is described some properties the nuclear reactions with light particles for example 12C(n,p)12B up to E = 10 MeV-10GeV medium energies. Cross sections ofthe reactions for those interval are anomaly high. In our opinion these cross section values are a result of vacuum properties of nonlocal nuclear fields for energy interval taking into account. The initial and final nucleons scattering take place at the background distorted by a nuclear forces condensate. It is performed overall calculation of inner parts of diagrams for scattering nucleons into nuclear condensate.
nuclear reactions cross section
neutrons of medium energies
nonlocal nuclear interactions
singular perturbed differential equations

Нейтроны средних энергий используются в медицинской физике для тяжёлых ядер с А~200 , физике космических лучей, где они создают фон, на котором проводятся измерения нейтринных обсерваторий [1]. Для сцинтилляционных детекторов нейтринных обсерваторий основной реакцией, создающей фон является реакция 12С(n,p)12B. В то же время расчёт таких реакций представляет определённую проблему, что отмечено в описании стандартных профессиональных программ ядерной физики, например программы TALYS, новые версии которой (например TALYS 1.6) не могут справиться с расчётами реакций с элементами группы углерода и более лёгких элементов. Поэтому, в программу заложено ограничение на атомный вес элементов A>12.

Последний эксперимент в этой области был выполнен группой n-TOF в ЦЕРН [2]. Полученное в этом эксперименте среднее сечение является аномально большим

grih01.wmf. (1)

Это сечение примерно на порядок превосходит предсказанное моделированием на ранних версиях программы TALYS, с которым в [2] хорошее совпадение в пороговой области реакции. Полученный n-TOFF результат заменяет собой более ранние результаты (в частности [3] σ = 5mb), которые используются сегодня для расчёта фонов нейтринных обсерваторий.

Так как в эксперименте [2] были исследованы новые диапазоны энергий E = 100 MeV – 10 GeV, результат (1) приобретает смысл результата зондирующего эксперимента, за которым может скрываться новая физика.

Прямой аналитический расчёт сечения реакции

n + 12 C = p + 12 B (2)

может быть выполнен с помощью стандартных методов ядерной физики ( например с помощью метода треугольных диаграмм И.С. Шапиро [4]).В случае несовпадения результатов расчёта с экспериментом [2], он может быть скорректирован в рамках новых теоретических идей. Полное сечение прямой ядерной реакции в предлагаемой картине может быть рассчитано по формуле

grih03.wmf (3)

В случае нелокальности ядерного взаимодействия [5,6] внешнее усреднение означает усреднение по конечным размерам ядра. Внешние обкладки амплитуды (3) grih04.wmf, grih05.wmf соответствуют рассеиваемым нейтронам и выходящим из области реакции протонам. Амплитуды рассеяния этих частиц на ядре должны вычисляться с учётом нелокальности ядерного взаимодействия для лёгких ядер. Соответствующее этим процессам нелокальное уравнение Шредингера (НУШ) для ядра характерного размера β есть [7]:

grih06.wmf (4)

где

μ – приведённая масса нуклона,

сепарабельный нелокальный ядерный потенциал Перри – Бака [6] имеет вид

grih07.wmf (5)

Us0, Ws0,U(p) выражается через формы типа Пешля – Теллера, принятые для локального оптического потенциала ядра [6, 7].

Vc – несущественный для рассматриваемой задачи кулоновский потенциал ядра.

Для ядра конечных размеров положение точки ядра задаётся вектором

grih08.wmf (6)

grih09.wmf – положение центра масс ядра, 0 < s < 1.

Перепишем для удобства НУШ в виде:

grih10.wmf,

grih11.wmf (7)

Функции grih12.wmf гладкие [7] и экспоненциально быстро спадают с расстоянием (что естественно для ядерного потенциала). Поэтому, их можно локализовать, приближая разложением в ряд Тейлора по s.

Будем считать ядерное взаимодействие в первом приближении сферически симметричным. Зафиксируем точку grih13.wmf на ядре.

Тогда grih14.wmf

Дифференцируя [7] по r превращаем его в принятом приближении в дифференциальное уравнение 3-го порядка:

grih15a.wmf

grih15b.wmf (8)

Перейдём к стандартным обозначениям математической физики, и выполним дифференцирование в левой части [8]. Получается дифференциальное уравнение 3-го порядка для функции grih16.wmf

grih17a.wmf

grih17b.wmf, (9)

где обозначение «.» соответствует производной по радиальной переменной r, grih18.wmf.

Уравнение (9) является сингулярно – возмущённым по параметру kr>>1, что позволяет найти его решение в этом приближении. Условие kr>>1 соответствует для систем сферической геометрии квантовомеханическому приближению VKB. Отбрасывая по приведённому выше условию производные 2-го и 3-го порядка по r, найдём неосциллирующее гладкое решение уравнения (9).

Получаем

grih19.wmf (10)

grih20.wmf (11)

Из (11) видно, что это решение не имеет предельного перехода к локальной теории ядра β → 0. Это решение, очевидно, соответствует общему потенциальному фону нелокальных ядерных сил. На квантовом языке такой фон соответствует поляризации вакуума или выпадению конденсата ядерных сил..

Найдём 2 осциллирующих решений уравнения (9). Выполняя замену

grih21.wmf, (12)

Получаем уравнение 2-го порядка для переменной z.

grih22a.wmf

grih22b.wmf (13)

Или

grih23.wmf (14)

Найдём асимптотическое решение (14) в виде:

grih24.wmf (15)

где grih25.wmf

Зафиксируем потенциал VN (r) на краю потенциальной ямы VN = VN (r)max = const. Это физически оправдано, так как рассматривается приближенное решение уравнения для функции ψ(r) при высоких энергиях grih26.wmf (E>>1MeV). То.есть, пороговое значение grih27.wmf.

Тогда для осциллирующих решений получаем

grih28.wmf (16)

При E → 0, β → 0 (т.е. в локальной квантовой механике) решение (16) не существует, т.к. выражение βE является математической неопределённостью.

Расходящаяся волна от рассеиваемой частицы имеет вид:

grih29.wmf, (17)

Изменение эвклидового фона за счёт выпадающего конденсата ядерных сил,

вследствие их нелокальности даётся множителем

grih30.wmf (18)

Итоговая плотность вероятности нуклонного рассеяния с учётом изменения фона реакции за счёт выпавшего конденсата есть:

grih31.wmf (19)

Сечение рассеяния нуклонов на нелокальном потенциале выражается черезрешение (17). В этом случае, дифференциальное сечение рассеяния, соответствующее внешним обкладкам реакции (3) имеет вид:

grih32.wmf (20)

Благодаря тому, что начальный и конечный нуклон рассеиваются на фоне, созданном нелокальным конденсатом ψ3 (11), величина сечения может вырасти или уменьшиться. Будем считать, что сечение рассеяния нуклонов (внешние обкладки амплитуды) (3) сферически симметричны, а зависящая от угла часть grih33.wmf принадлежит ядерной реакции и вычисляется по формулам прямой ядерной реакции.

Тогда формула сечения ядерной реакции факторизуется и принимает вид:

grih34.wmf (21)

Усредним по размерам ядра 0 < r < β нелокальную часть сечения (18) σN (r) Обозначим grih35.wmf, grih36.wmf. Этот результат получен при фиксации положения точки grih37.wmf на ядре.

Для получения числового значения сечения надо привести сечение grih38.wmf к форме, имеющей предельный переход к локальной теории ядерных сил без особенности при точечных размерах ядра в пределе β → 0. Для нахождения этой величины произведём усреднение сечения ядра по его конечным размерам с помощью формулы

grih39.wmf (22)

Вычисляя интеграл (22), получаем

grih40a.wmf

grih40b.wmf (23)

Значение сечения реакции (3) grih41.wmf приблизительно в A = 10 раз выше, чем предсказывает локальная теория. Посмотрим, допускает ли построенная теория такие значения сечения. То есть, выясним может ли в построенной теории нелокальный множитель grih42.wmf иметь значение A = 10?

Для этого решим трансцендентное уравнение

grih43.wmf (24)

Физический смысл множителя а – отношение высоты потенциального барьера к энергии внешних нуклонов.

При a<<1 уравнение (24) имеет аналитический корень grih44.wmf. То есть, такое решение существует. Приближённые действительные положительные корни (24) равны a ≈ 0,43, а ≈ 7,45. Отсюда можно сделать вывод, что в рассматриваемом оценочном расчёте и при оговоренных выше приближениях основной вклад в факторизованную часть сечения, связанную с рассеянием нейтронов на фоне конденсата ядерных сил вносят энергии начальных нуклонов Е как выше, так и ниже барьера ядерных сил Vn.