Saint-petersburg state university russian academy of sciences joint institute for nuclear research

EXOTISM OF NUCLEI 
 
Penionzhkevich Yu.E. 
Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia 
E-mail: [e-mail] 
 
Exotic states of the nuclear matter i.e., of the nuclei in extreme states (with 
high  spin,  large  deformation,  high  density  and  temperature,  the  neutron-  or 
proton-rich nuclei on the boundary of nucleon stability) play an important role in 
studies of fundamental nuclear properties, which bring us closer to deducing the 
equation of state of the nuclear matter. This is undoubtedly of great significance 
for extrapolating microcosm characteristics to the macro world that presents our 
Universe. 
Synthesis and study of neutron-rich isotopes have two main goals: finding the 
position  of  neutron  stability  boundaries  and  obtaining  data  on  properties  of 
exotic nuclei near these boundaries. The development of accelerator technology 
has  made  it  possible  to  obtain  the  accelerated  beams  of  secondary  radioactive 
nuclei. In this connection, new vast opportunities have opened up for studying 
both the structure of light exotic nuclei themselves. It is extremely important to 
obtain  new  information  regarding  nuclei  near  the  nucleon  stability  boundary 
because  considerable  deviations  of  properties  of  such  nuclei  from  the  widely 
known regularities may be expected (and are already observed). Here the nuclei 
in a range of small Z serve as convenient objects for investigation.  
At present the most sophisticated physics experiments, which are carried out 
at large-scale accelerator facilities and require enormous financial investments, 
can be realized only through the combined efforts and cooperation of the leading 
scientific centers. As an example, the heavy ion accelerators at the Joint Institute 
for  Nuclear  Research  (Dubna) which  count  about  20  member-states.  Thus,  the 
research  is  being  done  in  collaboration  of  the  research  centers  of  several 
countries.  Each  country  makes  its  financial  and  intellectual  contribution  to  the 
creation  of  the  large-scale  facilities,  allowing  to  penetrate  deeply  into  the 
mysteries of matter and to obtain new information not only for nuclear physics, 
but also for other scientific fields such as astronomy, condensed matter physics 
and up-to-date technologies. 
The  present  work  reviews  the  properties of  the  super  neutron-rich  isotopes. 
The changes in nuclear structure appearing as one goes away from the β-stability 
line are discussed in detail. Information is presented on the mass (hence, on the 
separation  energy  of  nucleons  and  on  nuclear  stability),  the  radii  of  nucleon 
distributions,  the  momentum  distributions  of  fragments  from  the  break-up  of 
neutron-rich  nuclei,  on  the  possibility  of  halo  formation  as  well  as  on  the 
deformation  and  quantum  characteristics  of  the  ground  states  of  different 
isotopes. The location of the neutron drip line and questions about the stability 
of nuclides are considered in connection with the weakening or even vanishing 
of  the  shell  effects  at  the  magic  numbers  20  and  28,  and  the  discovery  of  the 
new neutron magic number. 
 
 

 
35 
DISTRIBUTED COMPUTING AND BIG DATA AT JINR 
 
Korenkov V.V. 
Laboratory of Information Technologies, JINR, Dubna, Russia 
E-mail: [e-mail] 
 
The  report  presents  the  concept  and  the  evolution  of  the  global  computing 
infrastructure  for  storage,  processing  and  analysis  of  experiments  at  the  Large 
Hadron Collider at CERN. Brief information about the participation of Russia in 
this  process  is  given.  An  overview  of  projects  in  the  field  of  distributed 
computing  and  Big  Data,  performed  at  the  Laboratory  of  Information 
Technologies  (LIT  JINR)  in  Russia,  CERN,  USA,  China  and  JINR  member 
states is presented. 
Special  attention  is  paid  to  the  creation  of  the  center  of  the  Tier1  level  in 
Russia  for  storage  and  data  processing  of  experiments  at  the  Large  Hadron 
Collider, the development of cloud and hybrid infrastructure, as well as of the 
computing model of megaproject NICA at JINR. The results and plans for the 
development of a platform for Big Data management are presented. 
 
 

 
36 
SEARCHING FOR NEW KIND FISSION ISOMERS  
IN ACTINIDE NUCLEI 
 
Kamanin D.V.
1
, Pyatkov Yu.V.
1,2
, Alexandrov A.A.
1
, Alexandrova I.A.
1
, 
Jacobs N.
3
, Kuznetsova E.A.
1
, Mishinsky G.V.
1
, Strekalovsky A.O.
1
, 
Strekalovsky O.V.
1
, Zhuchko V.E.
1
 
1 
Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia; 
2 
National Nuclear Research University “MEPHI”, Moscow, Russia; 
3 
University of Stellenbosch, Faculty of Military Science, Military Academy,  
Saldanha, South Africa 
E-mail: [e-mail] 
 
Conventional fission isomers are due to the specific double humped structure 
of  the  fission  barrier  with  rather  deep  second  well  for  some  of  the  actinide 
nuclei. The barrier can be called “the binary one” keeping in mind that binary 
fission  appears  to  occur  during  the  descent  of  the  system  from  this  barrier. 
Evidently, a dumbbell-like shape of the system is expected in the vicinity of the 
scission point. Ternary prescission configurations leading to the delayed ternary 
fission  have  been  also  considered  from  the  theoretical  point  of  view  [1].  We 
discuss first experimental results demonstrating delayed fission after emitting of 
the light ion. By analogy with known “beta delayed fission” such phenomenon 
can be called “LCP delayed Fission of Isomer (LFI)”. Schematic scenario of the 
process is presented in Fig.1. 
 
 
Fig. 1. Schematic illustration of the scenario of LCP delayed fission of isomer (LFI) and 
ternary prescission configurations decisive for the effect observed. 
 
1.  D.N.Poenaru et al. // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 2000. V.26. P.97. 
 
 

 
37 
DOUBLE-NEUTRON CAPTURE REACTION AND NATURAL 
ABUNDANCE OF 
183
W, 
195
Pt, AND 
199
Hg ISOTOPES 
 
Karamian S.A., Aksenov N.V., Bozhikov G.A. 
Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia 
E-mail: [e-mail] 
 
Recently, the formation of 
195m
Pt isomer has been detecte in our experiments 
at  Dubna  reactor  IBR-2.  A  high  cross  section  is  established  for  the  
double-neutron 
capture 
reaction 
through 
the 
consequence: 
193
Ir(n,γ)
194
Ir(n,γ)
195m
Ir(3.8h) → 
195m
Pt. The latter step of β
–
 decay from isomer 
to  isomer  is  characterized  by  the  probability  of  44%  according  to  the  Nuclear 
Data Sheets. The values observed for 
195m
Pt must be increased multiplying them 
by a factor of about 2.3, and for the 
194
Ir(n,γ)
195m
Ir(11/2
–
) reaction, the measured 
parameters are deduced as σ
th 
=11700 barn; I
γ
 =670 b. Decay scheme of the low-
spin 
195
Ir(3/2
+
) makes no contribution into the 
195m
Pt(13/2
+
) yield, but the cross-
section branch to this 2.5 h-lived nuclide is great. The latter branch exceeds by 
orders of magnitude the population of the isomeric 
195m
Ir(11/2
–
) state due to the 
known  spin  restrictions  for  the  yields  of  (n,γ)  products.  Thus,  a  total  capture 
cross section by the short-lived 
194
Ir(19.3 h) appears to be extremely high and is 
expressed in a value on
 
the scale of 10
5 
barn. Both m and g species of 
195
Ir reach 
the 
195
Pt  ground  state  after  β
–
  decay  and  the  abundance  of  stable 
195
Pt  must 
include the production in double-neutron capture by 
193
Ir. Over the same work, 
the 
nat
Ta targets were also irradiated and the second-step 
182
Ta(n,γ)
183
Ta→
183
W 
reaction was characterized by the great values of σ
th 
= 25300 b and I
γ 
= 16600 b. 
The given here numerical values (except the estimate of 10
5 
b) are obtained with 
a standard inaccuracy of about 10% including the errors
 
due to the calibration 
and recalculations. Remind in addition a high value of σ
th 
= 25100 b known [1] 
for the neutron capture by radioactive 
198
Au leading then to 
199
Au β
–
 decayed to 
199
Hg. Finally, one must account the great cross-sections for neutron capture by 
odd-odd radioactive nuclides, like 
182
Ta, 
194
Ir, and 
198
Au. The natural abundances 
of 
183
W(14.3%), 
195
Pt(33.8%), and 
199
Hg(16.9%) include a contribution from the 
double-neutron capture on the way of s-process. In general, the double-neutron 
capture  way  differs  from  scenarios  of  the  standard  s-  and  r-processes.  The 
second  neutron  capture  happens  prior  the  β
– 
decay  of  a  first  capture  product, 
while the capture of third and further neutrons is improbable.
 
 
1.  S.F.Mughabghab. Neutron Cross Sections. V.1. Part B. Academic Press. 1981. 
 
 

 
38 
MEASUREMENTS OF THE 
195m
Pt ISOMER YIELD IN 
IRRADIATIONS OF 
193
Ir TARGETS WITH NEUTRON FLUX 
 
Karamian S.A., Aksenov N.V., Bozhikov G.A., Bulavin M.V., Dmitriev S.N., 
Madumarov A.Sh., Porobaniuk L.S., Sabelnikov A.V.,  
Shabalin E.P., Starodub G.Ya. 
Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia 
E-mail: [e-mail]
 
 
The 
195m
Pt  isomer  activity  is  known  to  be  the  best  for  radio-therapeutic 
applications in a view of the convenient halflife, 4.02 d, the great yield of soft 
gamma and Auger-electron radiation, and absence of radioactive pollutions past 
the decay. The possibility of production due to the double-neutron capture was 
indicated  in  literature  [1],  but  the  details  were  yet  unknown.  We  suppose  the 
path  from  initial 
193
Ir  target  to 
195m
Pt  through  the  following  intermediate 
nuclides: 
193
Ir(n,γ)
194
Ir(n,γ)
195m
Ir



195m
Pt.  The  looked  for  isomer  is 
populated via β
– 
decay of 
195m
Ir (3.8 h) in 44% events, while the decay of 
195
Ir 
ground state (2.5 h) feeds only the stable 
195
Pt. At the first neutron capture, the 
population  of 
194g
Ir  is  preferred  because  of  productive  cross  section  —  108  b, 
while the branch leading to 
194m
Ir is obviously closed since its high spin (J ≈ 11). 
Oppositely, the isomeric 
195m
Ir state could be populated in (n,γ) reaction due to 
the  lower  spin,  J
π
  =  11/2
–
,  as  follows  from  the  data  [2].  The  intermediate 
isotopes  and  their  halflives  are  defined  now,  but  the  σ
th
  and  I
γ
  values  for  the 
production  must  yet  be  distinguished  and  specified.  The  method  of  
Cd-difference was applied when the enriched 
193
Ir
 
(98.5%) targets were exposed 
at the vertical channel of the IBR-2 reactor in FLNP, Dubna. The targets with 
and without Cd shielding were irradiated during the 17 d reactor-run. The metal 
foils  of  Ta  served  as  spectators.  The  Ir  samples  were  dissolved  with 
electrochemical  method  for  consequent  isolation  of  the  Pt  fraction  using  the 
chromatography.  Gamma  spectroscopy  with  HP  Ge  detector  is  used  for  the 
activity measurements. The dissolving yield was calibrated by the
  192
Ir activity 
(present  due  to  the 
191
Ir  admixture),  while  the  Pt  isolation  method  was  tested 
elsewhere. Finally, the gamma lines of 
195m
Pt decay have been measured with a 
good statistical accuracy, and the production process, 
194
Ir(n,γ)
195m
Ir→
195m
Pt, is 
characterized by the following values: σ
th
 = 2270 b and I
γ
 =190 b. Such a great 
cross section of the 
195m
Pt production promises the efficient application of this 
isomer for radiotherapy of patients. 
 
1.  F.F.Knapp Jr. et al. // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2005. V.263. №2. P.503.
 
2.  S.A.Karamian et al. // High Energy Density Phys. 2006. V.2. P.48. 
 
 

 
39 
CONTROVERSIES ON COLD FUSION 
 
Karamian S.A. 
Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia 
E-mail: [e-mail] 
 
Cold  nuclear  fusion  excites  an  interest  and  stimulates  the  discussions 
initiated,  in  particular,  due  to  the  publication  [1].  The  performed  studies 
comprise  attempts  of  experimental  observation  in  atomic  collisions,  in  electric 
sparks,  or  even  in  the  macroscopic  processes.  Nevertheless,  many  specialists 
trust  that  nuclear  reactions  at  so  low  energies  violate  the  basic  principles  of 
physics. There is yet a hope for reliable observation of the claimed effects after a 
progress  in  the  sensitivity  of  experimental  methods.  The  explanations  of  cold 
fusion in recent publication [2] and in others could not iron out inconsistencies 
in the process mechanism. The successful d + D fusion was supposed [1, 2] for 
the deuterium atoms ensconced in the Pd crystal. Palladium is capable to absorb 
a lot of hydrogen to form the solid solution. The radius of H atom is comparable 
to  the  Bohr  radius  equal  0.529  Ǻ.  Heavier  atoms  are  more  compact  and  their 
interaction is characterized by the Thomas-Fermi screening parameter. In the Pd 
atom,  46  electrons  are  confined  within  the  radius  of  0.125  Ǻ.  Therefore,  the 
electron cloud around each Pd nucleus provides an electron density greater than 
in  H  atom  by  a  factor  of  3400.  Such  clouds  in  principle  may  serve  as  electric 
lenses  to  attract  and  to  confine  the  individual 
1
H,  or 
2
H  atoms.  The  Coulomb 
field  of  a  deuteron  appears  to  be  almost  screened  within  the  high-density 
electron  cloud.  Two  such  screened  deuterons  could  obviously  fuse  with  the 
reduced  Coulomb  barrier.  There  arises  definitely  a  point,  how  great  is  the 
reduction  of  the  Coulomb  barrier  for  two  deuterons  localized  within  one  Pd 
atom.  A  probability for two  deuterons  confinement  in  the  same  electron  cloud 
could be very low. Another heavy problem takes place [2], how to be with the 
release  of  23.8  MeV  energy  due  to  d  +  D  fusion.  The  standard  D(d,n)
3
He 
reaction was not detected in the experiments. A direct emission of the 23.8 MeV 
photons  seems  improbable.  However,  within  the  discussed  here  scheme,  two 
deuterons and Pd may form a sort of compact molecule, which splits past d + D 
fusion with the energy release mostly to electrons, or to the phonon mode. The 
scheme meets both requirements for explanation of Coulomb barrier penetration 
and of energy transfer to the crystal. Additional studies are requested, but low 
yield of the process hardly supports the proofs presented on today. 
 
1.  M.F.Fleishmann, S.Pons // J. Electroanal. Chem.1989. V.261. P.301. 
2.  E.N.Tsyganov, V.N.Golovatiuk et al. // Nucl. Instr. Meth. B. 2013. V.309. P.95. 
 
 

 
40 
DANSS – DETECTOR OF THE REACTOR ANTINEUTRINO 
BASED ON SOLID SCINTILLATOR 
 
Egorov V.G. (representing the DANSS Collaboration) 
Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia 
E-mail: [e-mail] 
 
The  DANSS  project  performed  within  JINR  (Dubna)  –  ITEP  (Moscow) 
collaboration  is  aimed  at  creating  a  relatively  compact  neutrino  spectrometer 
which  does  not  contain  any  flammable  or  other  dangerous  liquids  and  may 
therefore be located very close to the core of an industrial power reactor. As a 
result, it is expected that a high neutrino flux would provide about 15000 inverse 
beta  decay  interactions  per  day  in  the  polystyrene-based  scintillator  with  a 
sensitive  volume  of  1  m
3
.  High  segmentation  of  the  plastic  scintillator  allows 
background suppression down to a 1% level. Numerous tests performed with a 
simplified  pilot  prototype  DANSSino under  a  3 GW
th
  reactor  WWER-1000 of 
the  Kalinin  nuclear  power  plant  have  demonstrated  operability  of  the  chosen 
design [1, 2]. 
The  DANSS  detector  surrounded 
with a composite shield is movable by 
means  of  a  special  lifting  gear, 
varying  the  distance  to  the  reactor 
core in a range from 9.7 m to 12.2 m. 
Due  to  this  feature,  it  could  be  used 
not  only  for  the  reactor  monitoring, 
but  also  for  fundamental  research 
including short-range neutrino oscilla-
tions. Thus, we expect to confirm or disprove “sterile” explanation of the reactor 
neutrino  anomaly  within  few  weeks  of  data  taking  [3].  Supposing  a  one-year 
measurement, the sensitivity to the oscillation parameters could reach a level of 
sin
2
(2

new
) 
5·10
–3
 with Δm
2
 
(0.02 – 5) eV
2
. 
 
1.  V.Belov et al. // JINST 2013. V.8. 05018; arXiv:1304.3696. 
2.  I.Alexeev et al. // Phys. Part. Nucl. Lett. 2014. V.11. P.473; arXiv:1305.3350. 
3.  M.Danilov // arXiv:1412.0817. 
 
 

 
41 
ANNIHILATION OF ANTINUCLEONS WITH  
NUCLEONS AND NUCLEI 
 
Wong Cheuk-Yin
1
, Lee Teck-Ghee
2 
 
1 
Physics Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, USA; 
2 
Department of Physics, Auburn University, Auburn, USA 
E-mail: [e-mail]  
 
The  annihilation  of  p   and 
n
  with  nucleons  and  nuclei  are  important 
properties in the interaction of matter with antimatter. Pomeranchuk suggested 
that 
ann
(n p)


 is equal to 
ann
(p p)


 at high energies [1]. On the other hand, 
from the naive quark model of counting the number of quark-antiquark pairs of 
the same flavor, 
ann
(n p)


 would be (4/5) 
ann
(p p)


. We have re-examined 
the  nucleon-antinucleon  annihilation  cross  sections,  taking  into  account  the 
nuclear  and 
p
– p   Coulomb  interactions,  and  found  that  the  Pomeranchuk’s 
suggested equality at high energies appears to be a reasonable concept, as shown 
in  Fig.  1.  On  the  basis  of  the  elementary 
ann
(n p)


  and 
ann
(p p)


  cross 
sections as input, we extended the Glauber model for high-energy collisions [2] 
to  both  high  and  low  energies,  after  taking  into  account  effects  of  the  nuclear 
interaction,  the  Coulomb  interaction,  and  the  change  of  the  antinucleon 
momentum inside a nucleus [3]. The extended Glauber model captures the main 
features of the experimental antinucleon-nucleus annihilation cross sections [3]. 
At  high  energies,  they  exhibit  the  granular  property  for  the  lightest  nuclei  and 
the black-disk limit for the heavy nuclei. At low energies, they display the effect 
of  antinucleon  momentum  increase  due  to  the  nuclear  interaction  for  light 
nuclei, and the effect of focusing due to the attractive Coulomb interaction for 
antiproton  annihilation  for  heavy  nuclei,  as  shown  in  Fig.  2  for  p -nucleus 
annihilation cross sections.  
Fig. 1. Comparison of theoretical 
ann
(p p)


and 
ann
(n p)


 curves with data. 
Fig. 2. Comparison of theoretical 
ann
(p A)


 curves with data. 
 
1.  I.Ya.Pomeranchuk // JETP. 1956. V.423. 
2.  C.Y.Wong // Phys. Rev. D. 1984. V.961. 
3.  T.G.Lee, C.Y.Wong // Phys. Rev. C. 2014. V.89. 054601.  
 

 
42 
THE NEW INNER TRACKING SYSTEM OF THE ALICE 
EXPERIMENT: PHYSICS, DESIGN AND PERFORMANCE 
 
Manzari V (On behalf of the ALICE Collaboration) 
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Bari and CERN, Geneva, Switzerland 
E-mail: [e-mail] 
 
The  ALICE  detector  at  the  LHC  is  specifically  designed  to  investigate  the 
properties of the strong interacting matter at extreme conditions of temperature 
and  density,  which  lead  to  the  deconfinement  of  quarks  and  gluons  (QGP). 
Ultra-relativistic heavy-collisions are well suited to achieve these conditions and 
to  study  the  properties  of  such  a  medium.  The  physics  results  achieved  by 
ALICE  during  RUN  1  have  confirmed  the  nature  of  the  QGP  as  an  almost 
perfect  liquid  and  have  demonstrated  the  experiment's  excellent  capabilities  to 
measure high-energy nuclear collisions at LHC. 
Despite  this  success  there  are  several  frontiers,  including  high  precision 
measurements  of  rare  probes  over  a  broad  range  of  transverse  momenta,  for 
which  the  current  experimental  setup  is  not  yet  fully  optimized.  ALICE  is 
therefore  preparing  a  major  upgrade  of  its  apparatus,  planned  for  installation 
during  the  second  long  LHC  shutdown  in  2018–2019,  which  will  enhance  its 
physics capabilities enormously. 
In the proposed upgrade plan, the ALICE detector will exploit the expected 
significant increase of Pb-Pb luminosity reading-out all interactions up to a rate 
of 50 kHz and accumulate more than 10 nb
–1
 of Pb-Pb collisions, corresponding 
to  about  10
11
  interactions.  One  of  the  key  detector  to  enhance  the  ALICE 
physics  capabilities  is  the  new  Inner  Tracking  System,  whose  focus  is  on  the 
improved  performance  for  detection  of  heavy-flavour  hadrons  produced  in  the 
collisions and traversing the QGP medium. The greatly improved features of the 
new  ITS  in  terms  of  determination  of  the  distance  of  closest  approach  to  the 
primary vertex, tracking efficiency at low transverse momenta, and read-out rate 
capabilities will be illustrated in this contribution. The R&D activities over the 
last four years, the technical implementation of the main detector components, 
and  the  detector  and  physics  performance  will  be  discussed.  The  plan  for  the 
construction of the new ITS will also be presented. 
 
 

 
43