Post on 30-Apr-2020
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LA CIENCIA NUCLEAR Y LOS HACES RADIOACTIVOS
Para poder explorar regiones aún más exóticas aproximándose al límite de inestabilidad nuclear, los físicos nucleares europeos han construido diversas instalaciones de gran tamaño en diferentes países de la Unión Europea. Actualmente están trabajando en la planificación de una nueva instalación de haces de iones radiactivos, RIB (Haces de Iones Radioactivos), que permite investigar nuevas zonas de la carta nuclear, actualmente inaccesibles. Esta futura instalación europea de tipo ISOL (Separador de Isótopos en Línea) se llamará EURISOL.
Los núcleos radiactivos se producen mediante reacciones de fragmentación (fisión asimétrica), fisión o espalación (evaporación de unos pocos nucleones) de un proyectil en un blanco grueso. Los productos de estas reacciones se difunden fuera del blanco, se ionizan, se separan instantáneamente y son reacelerados. Los haces secundarios son muy intensos ya que se utilizan blancos gruesos.
Los haces de iones radiactivos se producen por la fragmentación de un proyectil en un blanco delgado. El núcleo creado se separa en vuelo según su masa y su carga. El haz secundario tiene alta energía y resolución, pero tendrá baja intensidad si se trata de un núcleo exótico (como una aguja en un pajar).
El proyecto EURISOL tiene como objetivo el diseño -y posterior construcción- de la instalación europea de tipo ISOL para producir haces radiactivos de “nueva” generación. La producción obtenida en comparación con las instalaciones de tipo ISOL actuales o aquellas en construcción (HIE-ISOLDE, SPES, SPIRAL2) aumentará en al menos un factor 100. Esto abrirá un amplio campo de investigación para los físicos nucleares.
El Proyecto EURISOL
Maqueta de la instalación SPIRAL2 (Caen, Francia), actualmente en construcción, precursora de EURISOL.
Fragmentación ISOL: Separador de Isótopos en Línea.
El comité europeo de expertos NuPECC ha recomendado la construcción de EURISOL, como una de las dos instalaciones de nueva generación de haces radiactivos en la Unión Europea. La otra instalación, FAIR (GSI, Alemania) en fase de construcción, usa una técnica complementaria de producción basada en la fragmentación.
Experimento
Acelerador de iones pesados
Separador de fragmentos
Haces de iones radioactivos
Blanco delgado de producción
Experimento
Fuente de iones
Post-acelerador
Acelerador Primario
Línea de transferencia
Separador de isótopos
Haz de producción Blanco grueso
caliente
Haz de iones radiactivos
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Entre los núcleos ligeros, los isótopos más pesados, es decir más ricos en neutrones, tales como 11Li, 14Be, 22C presentan estructura de halo, es decir, uno o más neutrones orbitando alrededor del core (que es un isótopo con uno o varios neutrones menos). Estos núcleos tienen una gran extensión espacial, 11Li con sólo 11 nucleones es más grande que 208Pb. Únicamente las interacciones en el continuo permiten explicar que estos núcleos estén ligados. Para entender la estructura de los núcleos con halo, los investigadores necesitan técnicas de detección mejores, haces más intensos, y también el acceso a sistemas nucleares más pesados. En este campo, EURISOL proporcionará muchas nuevas oportunidades.
Los núcleos con cierto número, llamado mágico, de protones y/o neutrones (N ó Z= 2,8,20,28,50,82) se caracterizan por una mayor energía de enlace. Los cambios de la estructura nuclear en la proximidad de las líneas de goteo (“drip line”) es uno de los temas clave para los físicos nucleares. Se ha obtenido evidencia experimental de los efectos de desaparición de cierre de capas a N=20 y N=28 para núcleos con gran exceso de neutrones en múltiples ocasiones. Para estudiar la estructura de los núcleos más exóticos y poder responder a las preguntas resultantes de estas observaciones, se necesita una instalación como EURISOL que produzca estos núcleos en cantidades que permitan su estudio detallado.
Estructura de Capas
Radioactividades Exóticas
Halo de Neutrones
Los blancos en la instalación EURISOL permitirán la producción de un número enorme de núcleos exóticos. Una posibilidad interesante es poder realizar una investigación sistemática de sus desintegraciones. Recientemente se ha descubierto un nuevo tipo de radiactividad en núcleos muy deficientes en neutrones en la que dos protones se emiten simultáneamente por el núcleo.
Elementos Súper-PesadosLos físicos y químicos nucleares luchan por completar la Tabla de
Mendeleiev o sistema periódico de los elementos mediante el descubrimiento de los elementos más pesados y el estudio de sus propiedades físico-químicas. La alta intensidad de los haces radiactivos producidos en EURISOL permitirá la producción y
estudio de nuevos isótopos de estos elementos y posiblemente el descubrimiento de un núcleo súper-pesado mágico de larga vida media, que se predijo en los setenta y que todavía no se ha encontrado.
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3
2
1
012 16 20 24 N
E* (MeV)
20Ca
16S12Mg
11Li
halos
Ilustración del mecanismo de radioactividad de dos protones.
Extracto del sistema periódico enfocado a la zona de los elementos súper-pesados.
76Os
107Bh
106Sg
105Db
77Ir
78Pt
79Au
80Hg
81Ti
82Pb
83Bi
108Hs
107Bh
106Sg
105Db
109Mt
110Ds
111Rg
112?
113?
114?
115?
61Pm
60Nd
59Pr
58Ce
62Sm
63Eu
64Gd
65Tb
66Dy
67Ho
68Er
93Np
92U
91Pa
90Th
94Pu
95Am
96Cm
97Bk
98Cf
99Es
100Fm
El 11Li es un sistema de 3-cuerpos o borromeico, es decir, está compuesto por dos neutrones y
un core de 9Li. Cuando uno de los enlaces entre
dos de estos 3 cuerpos se rompe, el sistema , se deshace, de las misma manera que los anillos del escudo de armas de la familia Borromeo.
Energías de excitación de los primeros estados de un núcleo. Un valor alto de la energía de excitación corresponde a un número mágico, en este caso N=20. Sin embargo el efecto desaparece para 32Mg, núcleo muy alejado de la estabilidad.
Predicciones teóricas para la estructura de capas fuera de la estabilidad.
3p
2f
1h
3s
2d
1g
h9/2f5/2p1/2p3/2h9/2f7/2h11/2
p1/2f5/2i11/2p3/2h9/2f7/2
d3/2h11/2s1/2g7/2d5/2
g9/2
g7/2d3/2
s1/2
d5/2
g9/2
N=5
N=4
82
50
126
Superficie muy difusa
línea de goteo neutrónica
Oscilador armónico
Sin interacciónspin-órbita
nucleos exóticos/hipernúcleos
Cerca delvalle de
estabilidad
ESTRUCTURA NUCLEARESTRUCTURA NUCLEAR
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El Proceso-r
Estrellas de Neutrones Las estrellas de neutrones son remanentes del colapso del corazón (core) de las supernovas. Son los objetos estelares más compactos tras los agujeros negros. Por supuesto, los púlsares (focos espaciales) y los “magnetars” que generan los campos magnéticos más intensos del universo son estrellas de neutrones. La modelización de su capa interna es esencial para entender el proceso de enfriamiento de la estrella, así como sus señales espúreas o irregularidades observacionales (“glitches”).La corteza (crust) está compuesta de núcleos ricos en neutrones inmersos en un gas neutrónico. Vórtices (huracanes cuánticos) actuando en la materia nuclear de la estrella de neutrones pueden ser la explicación de las señales espúreas (glitches). La investigación de núcleos exóticos es esencial para entender el papel crucial que juega la superfluidez en estos sistemas. EURISOL abrirá un nuevo campo de experimentación de los núcleos muy ricos en neutrones, con el objetivo de una mejor comprensión de las estrellas de neutrones.
La energía generada por los procesos nucleares en la superficie de una estrella de neutrones que capta masa de una binaria se observa como estallidos (bursts) de rayos X si el quemado nuclear es inestable. La estrella de neutrones capta materia durante horas o días hasta que se produce una explosión termonuclear iniciada por la reacción de fusión de tres alfas y las reacciones de ruptura y salida del ciclo caliente de CNO que desembocan en el proceso rápido de captura protónica (proceso -rp) – una secuencia de reacciones (α,p), (p,γ) y desintegración beta, β+-. Quedan muchas cuestiones sin respuesta en el tema de los estallidos de rayos X. Interesa obtener información sobre las estrellas de neutrones y las propiedades de la materia bajo condiciones extremas. Para responder a estas preguntas son necesarias medidas de masa y de la tasa de captura electrónica en los núcleos ricos en neutrones, y pueden determinarse en una instalación como EURISOL.
La mitad aproximadamente de las especies nucleares que existen en la naturaleza más pesadas que el hierro se producen a través de procesos de captura neutrónica en un medio interestelar muy rico en neutrones y en escalas de tiempo muy cortas, es decir, en el así llamado proceso-r. Únicamente en estas condiciones es posible que se produzcan núcleos muy inestables próximos a la línea de goteo neutrónica conduciendo mediante reacciones de captura neutrónica y desintegraciones sucesivas a la formación de los elementos más pesados de la naturaleza como Th, U y Pu. A pesar de su importancia, el escenario estelar exacto en el que el proceso-r ocurre es todavía un misterio. La clave para entenderlo se obtendrá mediante la cooperación en la modelización de escenarios explosivos de expertos en astronomía, cosmoquímica, física nuclear y astrofísica. La cuestión de la captura neutrónica, desintegración beta y medida de masas en la región de capas cerradas de neutrones será cuidadosamente investigada con los haces radiactivos de alta intensidad de EURISOL.
Fuentes Intensas de Rayos X
Comparación de las abundancias nucleares con las predicciones de modelos astrofísicos.
ISOLTRAP en el CERN: Un instrumento de alta precisión para la medida de
masas nucleares.
Copyright - Hubble site
ASTROFÍSICA NUCLEARASTROFÍSICA NUCLEAR
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El estudio de los modos de desintegración nuclear ha jugado un papel crucial e innegable en la determinación de la estructura básica de las interacciones fundamentales. En particular, la desintegración beta ha contribuido a establecer ciertos aspectos de la Física de Partículas como la violación de la paridad, la naturaleza del neutrino, o la conservación del número leptónico, y por tanto, ha suministrado las bases experimentales para una gran parte del modelo estándar (SM) de las interacciones electrodébiles. Las medidas de precisión de la desintegración beta nuclear y de transiciones atómicas constituyen herramientas simples para la búsqueda de nuevas interacciones o pequeñas violaciones de las simetrías fundamentales. A bajas energías la búsqueda de nueva física más allá del modelo estándar es una actividad de gran interés que se lleva a cabo actualmente en diversas instalaciones del tipo ISOL así como en instalaciones con fuentes intensas de neutrones fríos y ultrafríos. La importancia de este campo, donde el núcleo atómico se usa como laboratorio para las pruebas de las leyes fundamentales de conservación ha sido reconocido en la descripción del proyecto EURISOL y se considera una de las cuatro áreas clave de la ciencia moderna, en las que las instalaciones de haces radiactivos tendrán un mayor impacto.
Uno de los mayores descubrimientos de la última década es la observación de la oscilación espontánea entre los tres tipos de familias de neutrinos, lo que implica que los neutrinos no pueden ser partículas sin masa como se había supuesto anteriormente. Para conocer más sobre estas partículas tan esquivas y realizar pruebas estrictas de las simetrías cuánticas, los físicos de neutrinos necesitan un nuevo tipo de haz de neutrinos llamado haz-beta. Los neutrinos producidos por la desintegración beta radiactiva de un enorme número de núcleos radiactivos, por ejemplo 6He y 18Ne, se aceleran a velocidades próximas a la de la luz. El núcleo semilla podría producirse en EURISOL y la instalación de haces-beta sería una extensión natural de EURISOL.Bosquejo de una instalación de haces-beta.
Más Allá del Modelo Estándar
Haces Beta
Detección de neutrinos a través del efecto Cherenkov (de la Colaboración Super-Kamiokande).
Resultados de las medidas de alta precisión de la desintegración beta usadas como test del modelo estándar.
INTERACCIONES FUNDAMENTALESINTERACCIONES FUNDAMENTALES
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El diseño incluye la fabricación y prueba de prototipos de cavidades superconductoras y el diseño, fabricación y prueba de un módulo de refrigeración de múltiple uso para la sección de baja energía del acelerador lineal de protones.
En 2005 se inició un trabajo de diseño de cuatro años de duración dedicado a los aspectos tecnológicamente más desafiantes del proyecto, la instrumentación y el tema de seguridad radiológica. Se han examinado sinergias con otros proyectos incluyendo un estudio de viabilidad para la nueva propuesta de haces-beta para neutrinos. Después de esto se evaluarán posibles emplazamientos y la comunidad estará lista para el diseño técnico completo que se continuará con la construcción de la instalación.
Investigadores e ingenieros de distintos laboratorios europeos colaboran en doce tareas para el diseño de EURISOL. El diseño de EURISOL consiste en un
acelerador lineal superconductor que suministra protones de 1 GeV de energía con una intensidad cuya potencia resultante es de 5 MW, con capacidad adicional de acelerar deuterones, 3He e iones hasta la masa 40. Los haces incidirán simultáneamente en dos tipos de blancos, bien directamente o bien después de la conversión de los protones en neutrones a través de un ciclo que contiene una tonelada de mercurio rodeado por kilos de material fisionable. Los núcleos inestables producidos se difunden fuera del blanco, se ionizan y son seleccionados y pueden ser usados directamente a baja energía o reacelerados por otro acelerador lineal hasta energías de 150 MeV por nucleón para inducir reacciones nucleares.
Durante el periodo de diseño se construirán prototipos de las partes más críticas de la instalación, en particular:
Trabajo preparatorio y de viabilidad de las bases para la realización técnica de una estación de alta potencia para producción de haces de fragmentos de fisión usando un blanco de mercurio y un conversor neutrón-protón. El desarrollo de tecnología de enfriamiento se llevará a cabo en colaboración con las comunidades que trabajan con fuentes de espalación de neutrones, sistemas inducidos por acelerador (ADS, Accelerator-Driven Systems) y factorías de neutrinos. El convertidor estará rodeado por grandes cantidades de material fisionable.
La Estación del Blanco de Multi-MW
Desarrollo de una Cavidad Superconductora
Progreso en la Tecnología de Aceleradores y Blancos
blanco UC
EL CONCEPTO EURISOLEL CONCEPTO EURISOL
6
12 tareas para promover la Ciencia y la Tecnología
Participación de 20 centros de 14 paises europeos
21 Contribuciones de todo el Mundo
• Dirección• Estación de Blanco de Multi-MW• Blanco Directo• Blanco de Fisión• Seguridad y Radioprotección• Diseño del Acelerador de Iones Pesados• Diseño del Acelerador de Protones• Desarrollo de una cavidad SC• Preparación de Haces• Física e Instrumentación• Cálculos de Intensidad de Haces• Aspectos Relacionados con Haces Beta
GANIL Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, Caen, Francia
CNRS/IN2P3 Centre National de la Recherche Scientifique/ Institut National de Physique Nucléaire et de
Physique des Particules
Paris, Francia
INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Frascati (Roma), Italia
CERN European Organization for Nuclear Research Ginebra, Suiza
UCL Université Catholique de Louvain, Centre de Recherches du Cyclotron
Louvain-la-Neuve, Bélgica
CEA Commissariat a l’Energie Atomique (Direction des Sciences de la Matiere)
Paris, Francia
NIPNE ‘’Horia Hulubei’’ National Institute for Physics and Nuclear Engineering
Bucharest-Magurele, Rumania
JYU University of Jyväskylä Jyväskylä, Finlandia
LMU Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen Munich, Alemania
FZJ Forschungszentrum Juelich GmbH Jülich, Alemania
FI Institute of Physics Vilnius, Lituania
UW Warsaw University Varsovia, Polonia
SAV Institute of Physics - Slovak Academy of Sciences Bratislava, Eslovaquia
U-LIVERPOOL The University of Liverpool Liverpool, U.K.
GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung m.b.H Darmstadt, Alemania
USDC Universidade de Santiago de Compostela Santiago de Compostela, España
STFC Science and Technology Facilities Council Swindon, U.K.
PSI Paul Scherrer Institute Villigen, Suiza
IPUL Institute of Physics, University of Latvia Salaspils, Latvia
SU-MSL Stockholm University - Manne Siegbahn Laboratory
Estocolmo, Suecia
U-FRANKFURT Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt, Alemania
BINP Budker Institute of Nuclear Physics of Novosibirsk
Novosibirsk, Rusia
VNIITF Russian Federal Nuclear Center - Zababakhin Institute of Technical Physics
Snezhinsk, Rusia
PNPI Petersburg Nuclear Physics Institute Gatchina, Rusia
ORNL Oak Ridge National Laboratory Oak Ridge, TN, EEUU
ANL Argonne National Laboratory Argonne, IL, EEUU
KAERI Korea Atomic Energy Research Institute Daejeon, Corea
JAERI Japan Atomic Energy Research Institute Kashiwa, Japón
TRIUMF Tri-University Meson Facility Vancouver, Canada
SOREQ Soreq Nuclear Research Centre Yavne, Israel
U-MAINZ Johannes Gutenberg Universität Mainz Maguncia, Alemania
KVI Kernfysisch Versneller Institut Groningen Groningen, Holanda
U-SURREY The University of Surrey Guildford, UK
U-YORK The University of York Heslington, UK
U-PAISLEY University of Paisley Paisley, UK
VINCA VINCA Institute of Nuclear Sciences, Laboratory of Physics
Belgrado, Serbia
U-UPPSALA Uppsala University Uppsala, Suecia
NSCL National Superconducting Cyclotron Laboratory, Michigan State University
East Lansing, MI, EEUU
FNAL Fermi National Accelerator Laboratory Batavia, IL, EEUU
HUG Hospital University of Geneva Ginebra, Suiza
ITN Instituto Technologico e Nucleare Scavém, Portugal Dis
eñad
o po
r Lu
c Pe
tizon
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tel
Turz
o-Tr
aduc
ido
por
Mª J
osé
Gª B
orge
El proyecto de diseño de EURISOL ha sido
financiado por la Comunidad Europea dentro del
programa: FP6 “Research Infrastructure Action -
Structuring the European Research Areas” EURISOL
DS project contract n°515768 RIDS. La CE no es
responsable del uso que se pueda hacer de la
información aquí descrita.
www.eurisol.org
Más información sobre el proyecto EURISOL en:
ESTUDIO DEL DISEÑO DE EURISOLEstudio dEl disEño dE EuRisol