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Grupo de Física Nuclear Experimental
IEM
CSIC
Viaje al Interior de la
Materia
La Escala Nuclear Descubrimiento del Mundo Subatómico
Detectores de Radiación Estructura Nuclear y Reacciones Aplicaciones: Terapia con hadrones,
Energética nuclear Astrofísica nuclear
J. Sánchez del Río SáezInst. Estructura de la Materia, CSIC
4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"1
XI INICIACIÓN A LA INVESTIGACIÓN
Grupo de Física Nuclear Experimental
IEM
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¿Qué hay tras la motivación de un científico?
UNIVERSO¿Cómo funciona?
¿Cómo se organiza?
¿Cómo surgió?
…Los límites del conocimiento humano se sitúan en lo más grande, lo inabarcable…
La Cosmología se ocupa de estudiar el Universo a esta escala.
CuriosidadTamaño de las cosas
Composición
4/8/142J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"
Grupo de Física Nuclear Experimental
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El tamaño de nuestro Universo
4/8/143J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"
Grupo de Física Nuclear Experimental
IEM
CSICMotivación científica
Los límites del conocimiento humano no sólo están en lo
muy grande sino también en lo muy pequeño ...
La misma curiosidad también nos lleva al interior de las
cosas…
Física de Nuclear/Partículas: Ciencia que tiene como objetivo estudiar y entender los
componentes básicos de la materia y cómo se relacionan entre ellos
4/8/144J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"
Grupo de Física Nuclear Experimental
IEM
CSIC
4/8/145J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"
El reto de intentar conocer y explicar cómo funciona la Naturaleza es
fascinante…
Desde una posición tan restringida (tan pequeños para unas cosas, tan
grandes para otras, tan insignificantes en el tiempo), llegar a
conocer todo esto es difícil.La mejor herramienta que tenemos para describir la naturaleza son las
matemáticas.El lenguaje de la Ciencia
¿Fascinante?
Los detectores enviarán datos a un ritmo de 700 MB/sec. Esto es ~30,000 Enciclopedias Británicas cada segundo!
Grandes clusters
Grupo de Física Nuclear Experimental
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CSIC
La Escala Nuclear
4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"6
MUY MALA REPRESENTACIÓNDEL ÁTOMO !!!
A escala: si representamos un núcleo de C con la cabeza de un alfiler en medio del Santiago Bernabeu, un átomo de C equivaldría a tener electrones dando vueltas alrededor de la cabeza de alfiler por las gradas del estadio
Grupo de Física Nuclear Experimental
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Descubrimiento de la radioactividad natural Premio Nobel 1903
"in recognition of the extraordinary services he has rendered by his discovery of spontaneous radioactivity"
Pierre CurieMarie Curie
Los Curie Premio Nobel 1903
Henry Becquerel
1896, Sales de uranio → radiación penetrante :Independiente del compuesto químico
Obtuvieron las mismas propiedades en sales de Torio
Hipótesis: Radiación propiedad atómica, Radiactividad
En Bismuto descubrieron un elemento más activo: Polonio. En fragmentos de Bario encontraron Radio
4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"7
Grupo de Física Nuclear Experimental
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Propiedades de la radioactividad
..y Rutherford fue a Cambridge para trabajar con Thomson en propiedades de los rayos X. Interesado por los rayos de Becquerel descubrió que los había de 3 tipos: α, β, γ
..y Rutherford fue a McGill a trabajar con Soddy y descubrieron que la radioactividad transforma unos elementos en otros (PN 1908)
Transmutación
“¡Por Dios, Soddy, no lo llames ‘transmutación’! ¡Acabarán con nosotros por alquimistas!”
E. Rutherford
4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"8
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Módelos atómicos
Modelo de “plumb pudding”
Thomson
Rutherford
1907, Manchester (UK)Estudió la dispersión de partículas α en láminas de mica, Au... Descubrimiento de la composición del átomo 1910
Haz de partículas α
Haz de partículas αLámina de Au
Lámina de Au
Geiger y Marsden observaron Retrodispersión 1 de cada 20000
E. Rutherford, Phil. Mag. 6Th Series, 21 (1911) 669
4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"9
+
++
+
+++
-- -
--
-
-
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Tabla de núclidos / Paisaje NuclearElementos Super-pesados
4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"10
Desintegración β+-EC (exceso de p) Desintegración β- (exceso de n) Desintegración α (exceso de p y A) Fisión (núcleos muy pesados)
256 núcleos estables
Núcleos producidos en Laboratorio ≈700
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Aceleradores de Partículas: los microscopios de la F.N.
LHC: 27 km de circunferencia
1232 imanes superconductores.
Comenzó a operar en 2009
LHC: Temperatura de LHe (≈ -270 ºC)
Ha costado ≈2200 M€ (JJOO)
FAIR (Facility for antiproton and ion research)
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Espectrómetros y Detectores
4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"12
CMAMAGATA
AGATACrystalBall
Heavy exotic nuclei at extremely high intensities
SPIRAL2
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Espectrómetros y Detectores
50um Ti Foil, to scatter50um Ti Foil, to scatterProtons Protons
E-spread in angle E-spread in angle 70-230 MeV 70-230 MeV Protons, up to Protons, up to
10nA10nA
Cepa at 17 deg, other detectors
also visible
Cepa4 Cepa4 prototypeprototype
Crystal 5. prototype 8cm long
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CSIC
Grandes Instalaciones en Europa
- En España: ALBA, CMAM y CNA (no aceleran haces radioactivos)
- Instalaciones de haces radioactivos en Europa: CERN, GSI, GANIL…
- En otros continentes: TRIUMF, MSU, RIKEN…
FAIR(2017)
4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"14
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Deformación Nuclear
4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"15
Núcleos esféricos Núcleo oblato Núcleo prolato
La forma del núcleo puede oscilar: vibraciones
El núcleo deformado puede rotar
Los núcleos no son puntos sin estructura, tienendistintas formas
En los núcleos podemos alinerar su spin (momento magnético) e invertirlo como un espejo
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Núcleos con Halo
Isótopos de Litio
6Li 7Li 8Li 9Li11Li
Efecto observado en reacciones Energía de enlace mínima Radios cuadráticos medios Equivalentes: 11Li y 48Ca
roA1/3
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Terapia con iones pesados/GSI 50 pacientes tratados anualmente desde dic. 1997
Propiedades clínicas importantes de los iones pesados
Profundidad en agua (cm)
Dosis efectiva [u nidades arb.]
Mejora en la eficiencia biológica
Zona tumor
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Unmodified Bragg peak
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1. Fuente de Iones de C02, libera C2
ionizado.
2. Acelerador lineal a 10 % de la velocidad de la
luz c
3. Syncrotrón acelera iones de C hasta 73 %
de c
HIT: Centro de terapia con haces de iones en Heidelberg
Este centro, realizará terapia con protones e iones pesados.
Tiene permiso para tratar pacientes desde 2 Nov 2009Esperado: 1300 p/y
Tratará tumores de difícil acceso hasta 30cm.
4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"
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CSIC Etapas en la investigación en F. N. Experimental
1) Propuesta y Preparación del experimento ‘en casa’
2) Realización del experimento
Interés físico y viabilidad → Defensa ante un comité científico. Simulaciones Monte Carlo del experimento, detectores … Preparación de detectores, electrónica, sistemas de adquisición
…
Traslado de material al laboratorio correspondiente Montaje experimental (1 semana… 4 meses… años… ) Medida con haz (1 semana)
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Detectores usados en el Lab del GFNExpGermanium Detectors
Scintillator crystals
DSSSDs and SSDs
CEPA
IFJPan Krakow
10 cm2.3 cm
1,9 cm 4cm LaBr3 6cm LaCl3
Phoswich Scintillator Crystal DSSSD + CEPA
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SCINTILLATORS and APPLICATIONS
Kind of Scintillator
NaI BaF2 fast/slow
LaBr3(Ce)
LaCl3(Ce)
CeBr3 CsI(Tl) BGO
Photons/KeV 38 1.8/10 63 49 98 54 10
1st dec. time 250 0.7/630 16 28 17 1000 300
Peak emission wavelength
415 220/310
380 350 371 550 480
Density (g/cm3) 3.67 4.88 5.08 3.85 5.20 4.51 7.13
Intrinsic Radioactivity
No Yes Yes Yes No No
Higroscopicity Yes Slight Yes Yes Yes Slight NoEnergy Resol at 137Cs (662 keV)
6.50 11.4 2.80% 3.10% 5.0% 5.70% 5.30
-180º +180º-180º
180º
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4/8/14J. Sánchez del Río Sáez: "Viaje al Interior de la Materia"22
Sin grandes inversiones en
desarrollo y mejora de aceleradores y
detectores ⇒ El avance será
muy difícil
¡Gracias por vuestra atención!
We Need Funding!!!!
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
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