Introducción a la física nuclear con Núcleos exóticos fileIntroducción a la física nuclear con...

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Introducción a la física nuclear con Núcleos exóticos Dolores Cortina Universidad of Santiago de Compostela

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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

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