CERN i fizyka jadrowa: od wlasnosci jadra atomowego po medycyne. Magdalena Kowalska CERN, PH-Dept.

Transkrypt

1 CERN i fizyka jadrowa: od wlasnosci jadra atomowego po medycyne Magdalena Kowalska CERN, PH-Dept.

2 Menu Fizyka atomowa: wstep Otwarte pytania w obecnej fizyce jadrowej Fizyka jadrowa w CERNie Fabryka izotopow ISOLDE Od wlasnosci jadra do zastosowan

3 Struktura materii

4 Fizyka jadrowa: podstawy Fizyka jadrowa zajmuje się badaniem budowy i przemian jądra atomowego Jadro atomowe: - sklad: protony I neutrony - ladunek elektryczny: Z x ladunek protonu - rozmiar: kilka femtometrow: m - masa: masa neutronow i protonow energia wiazania - oddzialywanie: silne > slabe > elektromagn. > grawitacyjne - czas zycia: od nanosekund do nieskonczonosci Poczatki: 1911 (100 lat temu!) Rutherford publikuje artykul o odkryciu jadra atomowego 1932 Chadwick identyfikuje neutron 1935 Yukawa postuluje, ze oddzialywanie neutronow i protonow w jadrze jest przenoszone za pomoca czastki zwanej mezonem 2011 Nadal nie znamy wszystkich wlasnosci oddzialywania jadrowego I brak jest teorii jadra atomowego

5 Fizyka jadrowa: podstawy

6 Tabela nuklidow, czyli jader atomowych Ok 300 nuklidow trwalych 3000 zidentyfikowanych nuklidow nietrwalych

7 Otwarte pytania w obecnej fizyce jadrowej Jak wytlumaczyc tak roznorodne wlasnosci jader za pomoca jednego fundamentalnego oddzialywania protonu z neutronem 2 rodzaje czastek: ogromna liczba kombinacji i wlasnosci Jak przewidziec wlasnosci nieznanych jader Jak latwe i regularne wzory wylaniaja sie ze struktury skomplikowanych jader?

8 Rozpad radioaktywny Rozpad Beta: emisja elektronu lub pozytronu Rozpad Alfa: emisja jadra helu Emisja protonu lub neutronu Emisja innych czastek, np. 2 protonow (emisja gamma: przejscie jadra do stanu mniej wzbudzonego)

9 Badania nuklidow nietrwalych

10 relative abundance Nuklidy nietrwale jako laboratorium Fizyka jadrowa wlasnosci oddzialywania; granice istnienia nuklidow? = Astrofizyka Produkcja pierwiastkow chemicznych Ewolucja gwiazd Częstość występowania pierwiastków we Wszechświecie 34Ne: 10 protonow + 24 neutronow -> czy istnieje? Zastosowania, np. fizyka ciala stalego, biologia i medycyna mass

11 CERN a fizyka jadrowa CERN: Europejskie Centrum Badan Jadrowych Chociaz punkt ciezkosci przeszedl na czastki elementarne, badania nad jadrami atomowymi nadal trwaja: 7 TeV 450GeV LHC: fizyka cząstek elementarnych i struktura nukleonów ALICE: Fizyka jadrowa (wysokich energii) Fizyka jądrowa, Astrofizyka Antymateria 1GeV Fizyka jądrowa (i ciała stałego) Neutrina protony Jądra ciężkie 4MeV/u 50 MeV 28GeV

12 Fabryka izotopow ISOLDE

13 Produkcja izotopow na ISOLDE ISOTOPE production spallation Fr 1 GeV p fragmentation U 11 Li X p n fission Cs Y

14 Eksperymenty ISOLDE Badania na wolnych wiązkach radioaktywnych Fizyka atomowa Spektroskopia laserowa i pomiary mass Promienie i momenty jader, jądrowe energie wiązania Fizyka jądrowa Spektroskopia rozpadu jądrowego i reakcje Struktura jader Rozpady egzotyczne f(n,z) Astrofizyka jądrowa Fizyka stosowana Dedykowane badania rozpadów jądrowych i reakcji Nukleosynteza jądrowa Procesy słoneczne Implantowane próbki radioaktywne, izotopy do diagnozy i terapii Fizyka fazy skondensowanej i biofizyka Fizyka fundamentalna Dedykowane pomiary mas i badania rozpadów Testy unitarności macierzy CKM, korelacje kierunku beta-jadro

15 Eksperymenty ISOLDE Experimental setups WITCH REX-ISOLDE Mass-sep. HRS ISCOOL RILIS Target stations HRS & GPS PS-Booster 1.4 GeV protons ppp Travelling setups Jony przyspieszone MINIBALL and T-REX NICOLE Travelling setups ISOLTRAP CRIS COLLAPS

16 Troche zdjec

17 Troche zdjec

18 Wzbudzenia i rozpady

19 Spektroskopia laserowa Laser beam, Laser on fixed frequency Ion beam Retardation zone Neutralisation region Electrostatic deflection Excitation / Observation region

20 Pomiary mass jader

21 Pomiary mass jader 2 m determination of cyclotron frequency (R = 10 7 ) c 1 q 2 m B removal of contaminant ions (R = 10 5 ) B = 5.9 T B = 4.7 T Bunching of the continuous beam ISOLTRAP

22 Astrofizyka

23 Przyklady badanych jader Halo: jadro, w ktorym ostatnie protony/neutrony kraza bardzo daleko od centrum/kernelu discussed 1985: pierwsze halo odkryte: 11 Li 2012: znamy ok. 6 jader halo wazne dla zrozumienia szczegolow oddzialywania jadrowego => Wazne informacje: Masa Spin/parzystosc Moment magnetyczny Promien masy I ladunku Moment kwadrupolowy Poziomy energetyczne 8 11 Li:3p,8n 208 Pb:82p,126n

24 Skanery PET PET: pozytronowa tomografia emisyjna Metoda diagnozowania w medycynie oparta o emisję anty-elektronu Metoda rozwinieta przez lekarzy ze szpitala genewskiego i fizykow z ISOLDE

25 Wiazanie metali z bialkami

26 Badanie polprzewodnikow (0110) 2 1 (1120) 0 (2021) (1120) (1011) (1120) (0110) experiment simulation S Ga sites [deg] [0001] [1102] [1101] [2113]

27 Nowe izotopy do terapii i. Collection at ISOLDE iv. Injection into mouse v. PET/SPECT imaging and tumor treatment 1.4 GeV Thank you PSI ii. Shipping to PSI iii. Radiochemical purification and labeling

28 Podsumowanie Fizyka jadrowa swietuje 100 lat, ale nadal mamy przed soba wiele ekscytujacych pytan CERN I fizyka jadrowa to dluga jeszcze nie zakonczona - historia ISOLDE jako zrodlo jader nietrwalych Badania jader i wiele zastosowan

29

30

31 Reakcje transferu Miniball + T-REX setup (Si detector barrel): gamma detectors and particle identification d p g-decay

32 Produced nuclides Produkowane izotopy