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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.

4

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.

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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

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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