El Proyecto Eurisol

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LA CIENCIA NUCLEAR Y LOS HACES RADIOACTIVOS El Proyecto EURISOL 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. 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. Maqueta de la instalación SPIRAL2 (Caen, Francia), actualmente en construcción, precursora de EURISOL. Fragmentación ISOL: Separador de Isótopos en Línea. 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). 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. Separador de fragmentos Acelerador de iones pesados Blanco delgado de producción Haces de iones radioactivos Experimento Línea de transferencia Acelerador Primario Fuente de iones Separador de isótopos Haz de producción Blanco grueso caliente Post-acelerador Experimento Haz de iones radiactivos 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. 1 ESTRUCTURA NUCLEAR ESTRUCTURA NUCLEAR Halo de Neutrones halos 11 Li 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. E* (MeV) 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 208 Pb. 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. Estructura de Capas Los núcleos con cierto número, llamado 126 mágico, de protones y/o neutrones p f 3p (N ó Z= 2,8,20,28,50,82) se caracterizan hf i p 2f p N=5 h por una mayor energía de enlace. Los hp f 1h cambios de la estructura nuclear en la hf 82 d h g 3s proximidad de las líneas de goteo (“drip s d g N=4 2d s line”) es uno de los temas clave para d d 1g los físicos nucleares. Se ha obtenido g 50 evidencia experimental de los efectos g 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 Predicciones teóricas para la estructura de los núcleos más exóticos y poder de capas fuera de la estabilidad. 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. 1/2 5/2 11/2 3/2 9/2 7/2 9/2 5/2 1/2 3/2 9/2 7/2 11/2 4 3 3/2 11/2 1/2 7/2 5/2 7/2 3/2 2 1/2 5/2 20Ca 1 0 12Mg 9/2 16S 12 16 20 24 9/2 Superficie muy difusa línea de goteo neutrónica N 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. Oscilador armónico Sin interacción spin-órbita nucleos exóticos/ hipernúcleos Cerca del valle de estabilidad Elementos Súper-Pesados 105 Db 106 Sg 107 Bh 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Ti 82 Pb 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111 Rg 112 ? 113 ? 114 ? 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 90 Th 91 Pa del enfocado 92 Extracto 93 94sistema 95 periódico 96 97 98 a 99 U Np Pu Am Cm Bk Cf Es la zona de los elementos súper-pesados. Los 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 115 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 68 Er el descubrimiento de un núcleo súper-pesado mágico de larga 100 vida media, que se predijo en los setenta y que todavía no se ha Fm encontrado. 83 Bi Radioactividades Exóticas Ilustración del mecanismo de radioactividad de dos protones. 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. 2 ASTROFÍSICA NUCLEAR ASTROFÍSICA NUCLEAR El Proceso-r Comparación de las abundancias nucleares con las predicciones de modelos astrofísicos. Estrellas de Neutrones 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. 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. Copyright - Hubble site Fuentes Intensas de Rayos X ISOLTRAP en el CERN: Un instrumento de alta precisión para la medida de masas nucleares. 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. 3 INTERACCIONES FUNDAMENTALES INTERACCIONES FUNDAMENTALES Más Allá del Modelo Estándar 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 Resultados de las medidas de alta precisión de la desintegración beta usadas como test del modelo estándar. 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. Haces Beta 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. Detección de neutrinos a través del efecto Cherenkov (de la Colaboración Super-Kamiokande). 4 EL CONCEPTO EURISOL EL CONCEPTO EURISOL Progreso en la Tecnología de Aceleradores y Blancos 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: La Estación del Blanco de Multi-MW 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. Desarrollo de una Cavidad Superconductora 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. 5 blanco UC ESTUDIO DEL DISEÑOEstudio DE EURISOL del diseño de EURISOL Participación de 20 centros de 14 paises europeos CNRS/IN2P3 INFN CERN UCL CEA NIPNE Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, Caen, Francia Centre National de la Recherche Scientifique/ Paris, Francia Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Frascati (Roma), Italia European Organization for Nuclear Research Ginebra, Suiza Université Catholique de Louvain, Centre de Louvain-la-Neuve, Bélgica Recherches du Cyclotron Commissariat a l’Energie Atomique (Direction Paris, Francia des Sciences de la Matiere) ‘’Horia Hulubei’’ National Institute for Physics Bucharest-Magurele, Rumania and Nuclear Engineering JYU LMU FZJ University of Jyväskylä Jyväskylä, Finlandia Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen Munich, Alemania 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 GSI USDC STFC The University of Liverpool Liverpool, U.K. Gesellschaft fuer Schwerionenforschung m.b.H Darmstadt, Alemania Universidade de Santiago de Compostela Santiago de Compostela, España 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 Estocolmo, Suecia Laboratory 21 Contribuciones de todo el Mundo U-FRANKFURT BINP VNIITF Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt, Alemania Budker Institute of Nuclear Physics of Novosibirsk Novosibirsk, Rusia Russian Federal Nuclear Center - Zababakhin Snezhinsk, Rusia Institute of Technical Physics 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 Johannes Gutenberg Universität Mainz Maguncia, Alemania Kernfysisch Versneller Institut Groningen Groningen, Holanda The University of Surrey Guildford, UK The University of York Heslington, UK U-MAINZ KVI U-SURREY U-YORK U-PAISLEY www.eurisol.org 12 tareas para promover la Ciencia y la Tecnología • 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 University of Paisley Paisley, UK VINCA Institute of Nuclear Sciences, Laboratory of Physics Belgrado, Serbia Uppsala University Uppsala, Suecia NSCL National Superconducting Cyclotron Laboratory, Michigan State University East Lansing, MI, EEUU FNAL Fermi National Accelerator Laboratory Batavia, IL, EEUU responsable del uso que se pueda hacer de la HUG Hospital University of Geneva Ginebra, Suiza información aquí descrita. Instituto Technologico e Nucleare Scavém, Portugal VINCA U-UPPSALA ITN 6 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 Diseñado por Luc Petizon-Texto de Ketel Turzo-Traducido por Mª José Gª Borge GANIL Más información sobre el proyecto EURISOL en: