El Proyecto EURISOL

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.
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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: