Zakład Spektroskopii Jądrowej IFD UW

Zakład Spektroskopii Jądrowej IFD UW Marek Pfützner pfutzner@mimuw.edu.pl Krzysztof Miernik Zenon Janas Agnieszka Korgul Jan Kurcewicz ul. Pasteura 7 tel.: (022) 823 18 96 http://zsjlin.igf.fuw.edu.pl/

Nuklidy trwałe? liczba protonów, Z 287 nuklidów, w tym 83 pierwiastki od wodoru (Z=1) do uranu (Z=92) liczba neutronów, N

Nuklidy promieniotwórcze 238 U 4.5 mld lat uran protaktyn tor 226 Ra 1600 lat rad 222 Rn 3.8 dni radon polon bizmut ołów 218 Po 3 min. przemiana α przemiana β n p 125 135 130 140 145 liczba neutronów N

Wszystkie nuklidy Przemiana β + Emisja p Z = 82 Emisja α liczba protonów, Z Emisja 2p Z X Z-2 Y + 2p Z = 28 Z = 20 Z = 8 N = 28 N = 20 Z = 2 N = 2 N = 8 Z = 50 N = 50 N = 82 liczba neutronów, N p n + e + + ν e Z X Z-1 Y + p Przemiana β - Terra incognita czeka na odkrycie i zbadanie n p + e - + ν e N = 126 Z X N Z-2 Y N-2 + α -trwałe -rozszczepienie - α - β - - β + -p

Trzeci wymiar świata nuklidów Energia [MeV] β + /WE γ β - Z-1, N+1 Z+1, N-1 Z, N Zadanie spektroskopii : poznać strukturę jąder badając przemiany zachodzące między ich stanami

Jądro atomu to obiekt kwantowy V( r ) Potencjał sił jądrowych (silnych) i kulombowskich (dla protonów) Nukleony (protony i neutrony) mogą zajmować stany w studni potencjału, które można wyznaczyć przy pomocy równania Schrödingera. r -V 0 Nukleony są fermionami, więc obowiązuje je zakaz Pauliego (w jednym stanie tylko jedna cząstka)!

AcrobatDocument Jak zachodzi emisja α? V( r ) Przemiana α polega na kwantowym tunelowaniu przez barierę potencjału E α r Prawdopodobieństwo tunelowania bardzo silnie zależy od grubości bariery! -V 0 238 U : E α = 4.2 MeV, T 1/2 = 4.5 mld lat 226 Ra : E α = 5 MeV, T 1/2 = 1600 lat 212 Po : E α = 8.8 MeV, T 1/2 = 3 min

Struktura powłokowa jąder i liczby magiczne 126 atom 82 50 28 20 jądro 8 2

Liczby magiczne Ca Z = 20 Ar S 3.5 3.0 Energia pierwszego stanu 2 + siarka krzem magnez Si Mg E [MeV] 2.5 2.0 1.5 1.0 N = 20 14 16 18 20 22 24 Liczba neutronów, N

Procesy nukleosyntezy Liczba protonów proces rp proces s proces r Proces r zachodzi poza granicą znanych nuklidów! fuzja termojądrowa w gwiazdach Liczba neutronów

Nuklidy egzotyczne W warunkach ziemskich niezwykle trudne do wytworzenia i bardzo nietrwałe. Przykłady : Izotopy o wielkim niedoborze lub nadmiarze neutronów, czyli nuklidy bardzo dalekie od ścieżki trwałości. Jony o wielkim ładunku elektrycznym, np. jądra ciężkich pierwiastków całkowicie odarte z elektronów atomowych. Od niedawna wytwarzane i badane w laboratoriach dzięki ciągłemu postępowi w technice eksperymentalnej.

Jak dobrać się do nuklidów na skraju mapy? Schemat typowego eksperymentu Akcelerator ciężkich jonów tarcza Produkcja Magnetyczny separator produktów Układ pomiarowy Selekcja Detekcja

Przykład: GSI Darmstadt

Laboratorium GSI w Darmstadt

Separator magnetyczny

Fragment pierścienia ESR

Detektory, kable, elektronika...

Wytwarzanie pierwiastków superciężkich Separator produktów fuzji SHIP Reakcja fuzji np.: 70 Zn + 208 Pb 278 112

Identyfikacja rozpadu 277 112 Krzemowy detektor paskowy znane

SHE Synthesis Status September 2004 GSI RIKEN FLNR Ds 282 Dieter-Ackermann_GSI/University_of_Mainz_-_ENAM04

Kamienie milowe Trzy podwójnie magiczne (?) nuklidy Z = 82 N = 126 100 Sn Z = 50 Z = 20 48 Ni Z = 28 78 Ni N = 82 Znane wcześniej Odkryte niedawno dzięki metodzie fragmentacji relatywistycznych jonów Z = 8 N = 20 N = 28 N = 8

AcrobatDocument Promieniotwórczość dwuprotonowa Czy możliwy jest proces, w którym jądro emituje dwa protony jednocześnie? V( r ) r -V 0 Zjawisko przewidziane teoretycznie w 1960 i poszukiwane wśród nuklidów o skrajnym niedoborze neutronów.

Jądra w obszarze 48 Ni Kandydaci do rozpadu 2p 28 48 Ni Co 45 Fe Z-N=7 Mn Cr V Ti Sc 20 Ca 20 28

Badanie 45 Fe w GSI i w GANIL Pocisk Tarcza Separator Detektor p 58 Ni beryl czas lotu < 1 µs p krzem elektronika komputery Energia wydzielona w detektorze po implantacji jonu 45 Fe Wyniki : wydzielona energia, E = 1.1 MeV półokres rozpadu, T 1/2 3 ms zgodne tylko z hipotezą emisji 2p!

Wyzwanie: korelacje między protonami rozkład izotropowy emisja 2 He?

Q: What did the Nuclear Physicist have for lunch? A: Fission Chips. Q: What happens when electrons lose their energy? A: They get Bohr'ed.

Jak zarejestrować tory obydwu protonów? mgr Krzysztof Miernik

Optical Time Projection Chamber Komora dryfowa z odczytem optycznym

Optical Time Projection Chamber Obszar aktywny HI 150 V/cm Wzmocnienie Dryf 9000 V/cm 500 V/cm Wzmocnienie WLS UV VIS 14000 V/cm

Optical Time Projection Chamber Kamera CCD 2/3 1000x1000 pix 12-bitów wzmacniacz obrazu (x2000) Fotopowielacz 5

Rekonstrukcja zdarzeń Z θ Y t L PM = v d t X φ Fotopowielacz Rekonstrukcja zdarzenia: (r, Θ, φ ) XY Kamera L o L o = r cosθ L PM = r sinθ r 2 = L o2 + L PM 2 Θ = arctan(l o /L PM )

Rekonstrukcja zdarzeń Z θ = π/2 t Y X φ Fotopowielacz XY Kamera

Rekonstrukcja zdarzeń Z θ = 0 t Y X Fotopowielacz XY Kamera

Protony z rozpadu 13 O 13 O T 1/2 =8 ms p 3.53 MeV p 1.44 MeV 13 O 0 MeV 13 N 12 C+ p 1.94 MeV 13 O 5.8 ms p

Protony z rozpadu 13 O p p 13 O 13 O 4.1µs 3.7µs

Rozpad 3α jądra 12 C T 1/2 =11 ms 12 N 12 N 12.7 MeV 3α 10.3 MeV 7.65 MeV 7.285 MeV 3α α + α+ α 12 C

Rozpad 2α jądra 8 Be T 1/2 = 0.77 s 8 B α T 1/2 = 0.84 s 8 Li 16.26 MeV 2α α 8 Li 3.04 MeV 8 Be 2α 2α

Nasz detektor może też dać mały wkład do... wielkiego eksperymentu dr hab. Zenon Janas

Pytania o naturę neutrin jaką masę mają neutrina? jaka jest hierarchia mas? czy neutrino = antyneutrino?

Podwójny rozpad beta (A, Z) (A, Z+1) β β (A, Z+2) Rodzaje rozpadów ββ : 2νββ 0νββ (A, Z) (A, Z+2) + 2 e + 2 ν e (A, Z) (A, Z+2) + 2e L=0 L=2

Widmo sumy energii elektronów emitowanych w rozpadzie ββ 0νββ arbitrary units 2νββ (E 1 +E 2 ) / Q ββ

Neutrino Ettore Majorana Observatory podziemne (1780 m) laboratorium w tunelu Fréjus

Sektor detektora NEMO-3 PMT Scynt. detektory pozycyjne folia 100 Mo R. Arnold et al., NIM A536 (2005) 79

Typowe zdarzenie ββ Przekrój poprzeczny Przekrój podłużny wierzchołek emisji wierzchołek emisji Deposited energy: E 1 +E 2 = 2088 kev Common vertex: ( vertex) = 2.1 mm ( vertex) // = 5.7 mm

Rozpad 2νββ 100 Mo widmo sumy energii elektronów 219 000 evnts 6914 g 389 days 2νββ sim. bgnd E 1 + E 2 (MeV) 2ν T 1/2 = 7.1 ± 0.6 10 18 y

R. Arnold et al., PRL 95 (2005) 182302 Rozpad 0νββ 100 Mo 222 Rn level 25 mbq/m 3 0ν2ββ for T 1/2 = 5 10 22 y 0ν T 1/2 > 4.6 10 23 y m ββ < 2.8 ev 2.8-3.2 MeV range N observed = 7 events bgnd = 8.1 ± 1.3

2005 : namiot otaczający detektor + system oczyszczania powietrza stężenie radonu 25 mbq/m 3 3 mbq/m 3 S. Julian, LAL

Detekcja radonu w OTPC T 1/2 = 3.8 dni α 222 Rn T= 0 min T 1/2 = 3 min. 218 Po α 222 Rn α T= 3 min 214 Pb Czułość 0.1 mbq/m 3 α 218 Po

Wracamy do klasycznej spektroskopii bardzo egzotycznych nuklidów dr Agnieszka Korgul

Nuklidy w pobliżu 100 Sn N=Z Testowanie modelu powłokowego Status badań: ostatnim znanym izotopem Xe był 110 Xe (1981) 108 Xe 109 Xe 110 Xe Poszukiwanie 109 Xe 104 Te 105 Te 106 Te Z=50 100 Sn 101 Sn 102 Sn N=50

Eksperyment (ORNL, USA 2005) Akcelerator wiązka tarcza 58 Ni 54 Fe 112 Xe... 3n 109 Xe = Implantacja w detektorze paskowym (DSSD)

Obserwacja cząstek α z 109 Xe i 105 Te Przykładowe koincydencje α - α zmierzone w eksperymencie Amplituda sygnału 105 Te 101 Sn 109 Xe 105 Te Amplituda sygnału Czas (25 ns/kanał) Czas (25 ns/kanał)

Wynik Po 25 latach udało się zaobserwować łańcuch rozpadów α 109 Xe 105 Te 101 Sn Liczba zliczeń/ 23 kev Energia (kev)

Interpretacja νg 7/2 7/2 109 Xe 54 55 15(2) ms 140(40) kev 0 νg 7/2 νd 5/2 640(80) ns? 105 Te 52 53 νg 7/2 νd 5/2 1.9 s 101 Sn 50 51 50 g 7/2 d 5/2 g 7/2 50 d 5/2

Czy możemy coś odkryć przy warszawskim cyklotronie? mgr (prawie dr) Jan Kurcewicz

Cyklotron warszawski WIGISOL Warsaw Ion Guide Isotope Separator On- Line

Separator masowy - WIGISOL Wiązka jonów tarcza pole magnetyczne komora helowa 50 kv α γ detektory promieniowania

WIGISOL

Symulacje przepływu gazu przez Komora hamująca źródło jonów Komputerowy model komory hamującej jony Wynik symulacji: obraz linii prądu helu przepływającego przez komorę Uchwyt źródła testowego 223Ra Numeryczne symulacje przepływu gazu. Optymalizacja parametrów źródła jonów

Spektroskopia alfa reakcja : 14 N (80 MeV) + 209 Bi 220 Ac + 1p + 2n obserwowany rozpad: 220 Ac 216 Fr 212 At 208 Bi α α α 1 2 3 α 3 212 At 9 1? α 1 216 α Fr 2 220 Ac

Elektronika cyfrowa 212 At (314ms) 216 Fr (700 ns) α 1 α 2 220 Ac (26 ms) 216 Fr T 1/2 =800(40) ns t [µs]

Podsumowanie (I) W naszych badaniach staramy się: dotrzeć do granic stabilności jądrowej, zrozumieć procesy nukleosyntezy, poznać strukturę powłokową jąder dalekich od trwałości, opisać szczegółowo przemiany jądrowe, wyjaśnić mechanizmy reakcji jądrowych, szukać nowych zjawisk jądrowych. Badania prowadzimy we współpracy z ośrodkami: GSI Darmstadt (Niemcy) GANIL Caen (Francja) ILL Grenoble (Francja) ORNL, Oak Ridge (USA) MSU/NSCL East Lansing (USA) CERN/Isolde, Genewa (Szwajcaria) Uniwersytet w Jyväskylä (Finlandia)

Podsumowanie (II) Warto podkreślić: interdyscyplinarność spektroskopia jądrowa korzysta z osiągnięć innych dyscyplin i ma zastosowanie w bardzo wielu dziedzinach nauki (cz. elementarne, astrofizyka, f. atomowa, f. ciała stałego, biologia, medycyna,...) praca w stosunkowo małych zespołach możliwość aktywnego udziału w projekcie na wszystkich etapach i we wszystkich aspektach. perspektywy naukowe znakomite! W Europie, USA, Japonii i Chinach powstają nowe, duże ośrodki fizyki jądrowej, w których nuklidy egzotyczne będą jednym z głównych obiektów badań.

Projekt rozbudowy GSI Koszt projektu 1200 mln euro

Planowana rozbudowa GSI Projekt zatwierdzony do realizacji http://www.gsi.de

Radioactivity - it's as easy as alpha, beta, gamma... Zapraszamy!!! ul. Pasteura 7 tel.: (022) 823 18 96 http://zsjlin.igf.fuw.edu.pl/ kierownik: prof. Andrzej Płochocki plohocki@mimuw.edu.pl