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Introducción a la física nuclear con
Núcleos exóticos
Dolores CortinaUniversidad of Santiago de Compostela
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Layout
Pisa, July 20135Lola Cortina
30 years of radioactive beams
Experimental investigation of the atomic nucleus
Production of exotic beams
Why different experimental approaches?
Few selected examples
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30 years of radioactive beam
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Experimental investigation of the atomic nucleus
Ground-state properties.
- masses- size: matter and charge radial distributions, deformation- electromagnetic moments
Radioactive decays.
- decay properties- beta-delayed gamma emission- beta-delayed particle emission
Nuclear reactions.
- direct reactions- compound nucleus reactions
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Experimental investigation of the atomic nucleus
Ground-state properties.
- masses- size: matter and charge radial distributions, deformation- electromagnetic moments
Radioactive decays.
- decay properties- beta-delayed gamma emission- beta-delayed particle emission
Nuclear reactions.
- direct reactions- compound nucleus reactions
V
r
efectotunel
Ep
V
r
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Production of radioactive beams
ISOL IN-FLIGHT
- Low energy- ms preparation time- good beam quality
- High energy- µs flight path- poor beam quality
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Experiment with radioactive beams : detection
ProjectileTarget
Reaction Channels
Heavy residue
γ-ray
Light particles
fragments
Detection of charged particlesDetection of γ-raysDetection of n
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The use of inverse kinematics
Direct kinematicsLight projectile impinging into a heavy target nucleus
Inverse kinematicsLight projectile impinging into a heavy target nucleus
- light jectiles can be detected
- target residue can only be idenfied using radiative processes
- light and heavy ectiles can be detected
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The use of inverse kinematics
Advantages
Reactions induced by exotic projectiles
BepB 78 ),(γ
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The use of inverse kinematics
Advantages
Reactions induced by exotic projectiles
Improved charge identification of reaction ejectiles
The energy deposition of ions with Z > 40 and E < 1 A MeV is belowthe Bragg peak.
),,( 2 βγAZfdxdE =
3/2Z
EAR
⋅∝
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T1 T2
∆EPos1
Pos2
The use of inverse kinematics
Advantages
Reactions induced by exotic projectiles
Improved charge identification of reaction ejectiles
Heavy ejectiles fully identified in Z and A
βγρqA
B ∝
Pos1, Pos2 L1, L2, L3 ρ1, ρ2, ρ3
T1, T2 L1, L2, L3 βγ1, βγ2, βγ3
∆E1,, ∆E2, ∆E3 (q=Z) Z1, Z2, Z3
A1, A2, A3
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The use of inverse kinematics
Drawbacks
Complex heavy-ion accelerators with limited beam intensities
Present acceleration technologies:
- proton accelerators ~ 1016 p/s
- heavy-ion accelerators ~ 1012 ions/s
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Exploring the nucleus
Direct
reactions
Com
pound nuceus reactions
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The use of relativistic energies
Advantages
Exotic nuclei can be produced in-flight
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The use of relativistic energies
Advantages
Exotic nuclei can be produced in-flight
Detectors with smaller angular acceptance
vz
vx
Vz=0 Vz= 0.8cVz= 0
Direct kinematics Inverse kinematics
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The use of relativistic energies
Advantages
Exotic nuclei can be produced in-flight
Detectors with smaller angular acceptance
Thicker targets
Simpler description of the reaction mechanism
Glaubel picture:
- adiabatic approximation
- eikonal approximation (out-going plane wave): direct reactions
- participant-spectator picture: compound nucleus reactions
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The use of relativistic energies
Drawbacks
Gamma rays are Lorentz boosted
)βγ(=
E
E=DF
CM
Lab
ϑcos11
−
ϑϑβ
ϑβ ∆−
=∆cos1
sinS
S
E
ETarget
Beam
ϑϑ
Δββ
=E
ΔELab
Lab
cos1sin
−
β ∼ 0.8 c ),( 11 ϑCMLab EfE =
),( 22 ϑCMLab EfE =
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The use of relativistic energies
Drawbacks
Gamma rays are Lorentz boosted
Light ejectiles require complex detectors
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19
• Núcleos muy poco ligados extensión espacial
• Presentan topologías y efectos estructurales exóticos
• Accesibles experimentalmente
Exotic phenomena
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Nuclear structure investigations
light target
A-1X fragment
AX Projectile
Knock-out reactionsThis is a “quasi-free” scattering on the valence nucleons leading to a bound residual nucleus(A-1) not necessarily on its ground state
The accurate measurement of the longitudinal momentum of the residual nucleus in inverse kinematics, and the possible gamma rays emitted during the knock-out charactarize the ground state of the projectile nucleus.
| P > = ∑ C2S ( | C > ⊗ | n> )
Gamma ray taggingCross-sections
Ground state ofthe exotic projectile
Spectroscopic factor
A-1 X fragment removed neutron
A-1 X fragment momentum distribution
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Nuclear structure investigations
Knock-out reactionsThe accuracy in the measurement of the longitudinal mometum of the recoiling projectile residue requires the use of a high-resolving power magnetic spectrometer such as the FRS at GSI.
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Nuclear structure investigations
Valencia, Enero 2013
Knock-out reactions1-n knock-out cross section and the width of the momentum distributions reveal halo structures and shell evolution.
d ds
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Nuclear structure investigations
Knock-out reactionsKnock-out with gamma tagging allow for detailed spectroscopic studies.
|1/2 +> = a| 0+ ⊗2s 1/2 >+b| 2+ ⊗1d 5/2 >
The case of 23O 22O+n
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Direct
reactions
Com
pound nuceus reactions
Exploring the nucleus
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The use of low energy beams
TRIUMF –ISAC II
ISOL facility.
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The use of low energy beams
Elastic scattering of 11Li on heavy target11Li+208Pb and 9Li+208Pb @ 29.5 MeV. Direct kinematics
Detection of light charge particles
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Sección eficaz de una reacción
La sección eficaz es una medida de la probabilidad de ocurrencia de una determinada reacción nuclear. Podemos distinguir los siguientes casos:
-Sección eficaz total: probabilidad de cualquier reacción entre dos núcleos.
-Sección eficaz parcial: probabilidad de una determinada reacción
-Sección eficaz diferencia: evolución de la probabilidad de reacción respecto de una variable continua (energía, ángulo, …)
( ) nxNeNNNN onx
oreacción σσ ≈−=−= −10
En una irradiación de un material blanco de espesor x y densidad de centros dispersores n, con un flujo No de partículas, el número total de reacciones es:
El corto alcance de la fuerza nuclear nos permite calcular a primer ordenla sección eficaz total de reacción como:
( ) ( ) 2bpbptotal fm AARR
23/13/122 2.1 +⋅=+= ππσ
2224 100 10 1 fmcmbarn == −
18O18F
p n
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Los datos de 9Li+208Pb son ajustados usando un modelo óptico donde la parte real se describe con el potencial de doble convolución de São Paulo (SPP) y la parte imaginaria un potencial de Woods-Saxon.
Los datos para la dispersión de 11Li+208Pb serán comparados con cálculos CDCC a cuatro cuerpos.
Evidencia experimental del halo del 11Li y éxito de la modelización de la reacción nuclear
The use of low energy beams
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Direct
reactions
Com
pound nuceus reactions
Exploring the nucleus
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Single particle versus collectivity
2+
4+
6+
0+
8+
158Er147Gd7/2
13/2
21/2
DeformedNear Spherical
Single-particle behaviour.Single-particle behaviour. Collective behaviour.Collective behaviour.
Nuclei are many-body quantal systems consisting on many nucleons, up to 300, resulting on a rich variety of quantum phenomena.
Nuclei are many-body quantal systems consisting on many nucleons, up to 300, resulting on a rich variety of quantum phenomena.
jj
jjJ J
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The shape of the nucleus
n
pα
1 2 3 4
Reaction fusion-evaporation
γ γ
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Shapes and dimensions from beta decay
We can also learn about deformation using the dependency of the strength distribution in the daughter nucleus depending on the shape of the parent.
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Shapes and dimensions
Comparación de resultados experimentales deB(GT) medidos a través de Espectroscopía deAbsorción Total con cálculos teóricos