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Fisica Nucleare coN Fasci radioattivi

I fisici nucleari europei hanno costruito diversi laboratori di grandi dimensioni in varie nazioni della Comunita Europea, al fine di studiare regioni sempre più esotiche della carta dei nuclei, ai limiti della stabilità nucleare. Al giorno d’oggi essi stanno collaborando al progetto di una nuova struttura per ioni radioattivi (Radiactive Ion Beam) che permetterà loro di investigare zone della carta dei nuclei al momento inaccessibili. Questo impianto europeo di tipo ISOL (separazione di isotopi lungo la linea) si chiamerà EURISOL.

I nuclei radioattivi sono prodotti mediante spallazione, fissione o reazioni di frammentazione di un nucleo proiettile su una targhetta spessa. I prodotti di queste reazioni si diffondono oltre la targhetta, vengono ionizzati e separati lungo la linea, quindi riaccelerati. I fasci secondari sono molto intensi.

I fasci di ioni radiattivi sono prodotti dalla frammentazione di un nucleo proiettile su un nucleo bersaglio leggero. Quindi i nuclei radioattivi creati sono separati in volo. Il fascio secondario ha un’energia alta ed una selettività alta, ma una bassa intensità.

Il progetto Eurisol ha lo scopo di progettare e quindi costruire il laboratorio europeo per la prossima generazione di fasci radioattivi di tipo ISOL. La resa degli ioni prodotti nei laboratori di tipo ISOL esistenti, o in costruzione (HIE-ISOLDE, SPES, SPIRAL2) sarà superata almeno di un fattore 100. Ciò aprirà un largo campo di ricerca per i fisici nucleari.

Il Progetto EURISOL

Vista dell’impianto SPIRAL2 (Caen, Francia) attualmente in costruzione: uno dei precursori di EURISOL.

Frammentazione ISOL: Separazione degli isotopi lungo la linea.

Il comitato europeo di esperti NuPECC ha raccomandato che Eurisol venga costruito come una delle due infrastrutture con fasci radioattivi di “prossima generazione” nella Comunità Europea. L’altro progetto, denominato FAIR ( presso il laboratorio GSI in Germania), userà la tecnica di frammentazione.

Esperimento

Acceleratoreprimario

Fascio di ioni radioattivi

Fascio diproduzione

Tubo ditrasferimento

Sorgente degli ioni

Post-acceleratore

Bersaglio spesso edad alta temperatura

Separatore isotopico/isobarico

Acceleratoredi ioni pesanti

Targhetta sottiledi produzione

Fascio diioni radioattivi

Separatoredi frammenti

Esperimento

2 3

I nuclei leggeri più ricchi di neutroni, quali il 11Li,14Be, 22C, presentano una struttura con alone poichè uno o più dei loro neutroni di valenza si muove su orbite molto larghe intorno al “cuore”del nucleo. Essi hanno estensioni spaziali molto ampie e per esempio, il 11Li con solo 11 nucleoni è grande quanto il 208Pb. È solo l’effetto delle interazioni nel continuo a fare sì che questi nuclei siano legati. Per capire a fondo la struttura dei nuclei con alone, i ricercatori avranno bisogno di tecniche di rilevelazione migliori, di fasci piu intensi ed inoltre della possibilità di studiare sistemi nucleari piu pesanti. EURISOL creerà molte opportunità nuove in questo campo.

Alcuni nuclei sono caratterizzati dal possedere un numero “magico” di protoni e neutroni grazie al quale la loro energia di legame si innalza. I cambiamenti nella struttura nucleare vicino alle linee di “gocciolamento”(driplines) rappresentano una delle questioni chiave per la fisica nucleare dei nostri giorni. Ci sono già numerose evidenze sperimentali del dissolvimento dell’effetto a gusci a N=20 e N=28 e per nuclei con un grande eccesso di neutroni. È necessaria una struttura come EURISOL per produrre tali nuclei in grandi quantità, studiare nuclei sempre più esotici e rispondere alle questioni sollevate dalle suddette osservazioni.

Il processo r

Stelle di neutroniLe stelle di neutroni sono ciò che rimane dal collasso del “cuore” delle supernovae. Esse costituiscono gli oggetti stellari più compatti dopo i buchi neri. Infatti le pulsar ( i fari spaziali) e le magnetars, che generano i campi magnetici più intensi dell’Universo, sono stelle di neutroni. È di essenziale importanza modellizzare la loro crosta più interna al fine di comprendere il processo di raffreddamento delle stelle ed anche certe irregolarità nelle osservazioni del periodo di rotazione delle stelle di neutroni, denominate “glitches”.La parte più interna della crosta è composta di nuclei ricchi di neutroni immersi a loro volta in un gas di neutroni. I vortici (tornado quantistici) che si sviluppano nella materia nucleare potrebbero essere la spiegazione delle “glitches”. Lo studio dei nuclei esotici è essenziale per comprendere il ruolo cruciale della superfluidità in questi sistemi. EURISOL aprirà un nuovo campo di esperimenti su nuclei ricchi di neutroni con lo scopo di comprendere meglio le stelle di neutroni.

L’energia generata nei processi nucleari sulla superficie delle stelle di neutroni che accrescono la loro massa a spese di un’altra stella, nei sistemi binari, viene osservata come un breve getto di raggi X se la combustione nucleare è instabile. In queste situazioni la massa si accresce ( e viene spostata da una stella all’altra) per ore o addirittura giorni, finchè un’esplosione termonucleare viene generata dall’accensione di una reazione di tre particelle alfa e dalle reazioni di rottura provenienti dal cliclo caldo CNO (carbonio-azoto-ossigeno) che porta al processo di cattura rapida di protoni (processo rp). Si verifica quindi una sequenza di reazioni (a,p), (p,g) e b+. Ci sono diversi problemi aperti sui getti di raggi X. In molti casi si cercano informazioni sulle stelle di neutroni e sulle proprietà della materia in condizioni estreme. Per rispondere a tali domande, le masse sperimentali e le rese di cattura di elettroni su nuclei ricchi di neutroni sono adesso necessarie e possono essere ottenute in una struttura come EURISOL.

Circa la metà dei nuclei degli elementi esistenti in natura al di là del Ferro sono prodotti attraverso processi di cattura di neutroni in tempi molto brevi, in situazioni astrofisiche in cui sono presenti un grande numero di neutroni. Questo processo è chiamato il processo r (rapido). È solo in queste condizioni che è possibile che si producano nuclei fortemente instabili vicini alla linea di “gocciolamento” nucleare. Dopo i decadimenti in posizioni di stabilità, ciò porta alla formazione degli elementi più pesanti esistenti in natura, quali il Torio, l’Uranio ed il Plutonio. Malgrado sia così importante, è tuttora un mistero quale sia esattamente il sito stellare in cui il processo r si realizza. La chiave per la sua comprensione sarà probabilmente ottenuta solo da una stretta interazione tra i modelli per gli scenari esplosivi studiati in astronomia, chimica cosmologica, fisica nucleare ed astrofisica. Le questioni riguardanti la cattura di neutroni, il decadimento beta e le misure di massa nelle regioni di gusci nucleari chiusi, saranno studiate con grande cura mediate i fasci di nuclei radioattivi dell’impianto EURISOL.

Getti (bursts) di raggi X

Confronto tra le abbondanze nucleari e le predizioni dei modelli astrofisici.

ISOLTRAP al CERN: Uno strumento di precisione per la misura di masse nucleari.

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Struttura a gusci

Radioattività esotica

Aloni di neutroni

I nuclei bersaglio della struttura EURISOL permetteranno la produzione di un certo numero di nuclei finora sconosciuti. Una possibilità interessante è quella di continuare un’investigazione sistematica del loro decadimento radioattivo. Recentemente un nuovo tipo di radioattività è stato scoperto, in nuclei mancanti di numerosi neutroni. In tali nuclei due protoni vengono emessi contemporaneamente e spontaneamente.

Elementi superpesantiI chimici e fisici nucleari si sforzano di completare il sistema periodico

degli elementi scoprendo elementi sempre piu pesanti e studiando le loro proprietà chimiche e fisiche. I fasci radioattivi di alta intensità di EURISOL porteranno alla produzione e studio di tali elementi e possibilmente alla scoperta degli “sfuggenti” nuclei

magici superpesanti, che sono stati predetti fin dagli anni ’70 ma non sono stati ancora trovati.

4

3

2

1

012 16 20 24 N

E* (MeV)

20Ca

16S12Mg

11Li

Illustrazione del meccanismo della radiattività di due protoni.

Estratto del sistema periodico degli elementi focalizzato sugli elementi più pesanti.

76Os

107Bh

106Sg

105Db

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Ti

82Pb

83Bi

108Hs

107Bh

106Sg

105Db

109Mt

110Ds

111Rg

112?

113?

114?

115?

61Pm

60Nd

59Pr

58Ce

62Sm

63Eu

64Gd

65Tb

66Dy

67Ho

68Er

93Np

92U

91Pa

90Th

94Pu

95Am

96Cm

97Bk

98Cf

99Es

100Fm

Il sistema borromeiano 11Li è composto di un cuore di 9Li più due

neutroni. Quando si rompe un legame il sistema

si divide in tre pezzi, proprio come lo stemma della famiglia Borromeo.

Energie dei primi stati eccitati dei nuclei. Un’energia alta indica un numero magico, in questo caso N=20, che svanisce per il 32Mg che si trova lontano dalla stabilità.

Predizioni teoriche per la struttura a gusci lontano dalla stabilità.

Aloni

3p

2f

1h

3s

2d

1g

h9/2f5/2p1/2p3/2h9/2f7/2h11/2

p1/2f5/2i11/2p3/2h9/2f7/2

d3/2h11/2s1/2g7/2d5/2

g9/2

g7/2d3/2

s1/2

d5/2

g9/2

N=5

N=4

82

50

126

superficie molto diffusa

dripline di neutroni oscillatore armonico

senza spin-orbita

nuclei esotici e ipernuclei

vicino la valle di stabilità

struttura Nucleare astroFisica NucleareASTROFISICA NUCLEARESTRUTTURA NUCLEARE

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Lo studio dei decadimenti nucleari ha giocato un ruolo cruciale ed innegabile nel determinare la struttura di base delle interazioni fondamentali. In particolare il decadimento b ha contribuito a stabilire certi aspetti della fisica delle particelle quali la violazione della parità, la natura della conservazione del numero di neutrini e leptoni ed ha così fornito i fondamenti sperimentali per una larga parte del Modello Standard (SM) delle interazioni eletro-deboli. Misure di precisione durante i decadimenti nucleari e le transizioni atomiche, costituiscono mezzi semplici per cercare le tracce di nuove interazioni o piccole deviazioni delle simmetrie fondamentali. A basse energie la ricerca per una nuova fisica oltre il modello standard è una delle attività più eccitanti portate avanti ai nostri giorni in diversi impianti di tipo ISOL, così come in laboratori con sorgenti di neutroni freddi o ultra freddi in diverse parti del mondo. L’importanza di questo campo, nel quale il nucleo atomico è usato come verifica delle leggi di conservazione fondamentali, è stata riconosciuta nella preparazione della proposta per EURISOL ed è considerata una delle quattro aree della scienza moderna nelle quali i laboratori con fasci radiattivi hanno un impatto maggiore.

I neutrini appaiono in tre forme. Una delle più importanti scoperte dello scorso decennio è stata l’oscillazione spontanea tra queste forme di neutrini, il che implica che i neutrini non hanno massa nulla come era stato assunto precedentemente. Al fine di accrescere la conoscenza su queste particelle sfuggenti e fare delle verifiche stringenti sulle simmetrie quantistiche, i fisici dei neutrini hanno bisogno di un nuovo tipo di fasci di neutrini, chiamati fasci beta. I neutrini sarebbero prodotti dal decadimento radiattivo beta di grandi quantità di nuclei instabili, per esempio 6He e 18Ne, accelerati quasi alla velocità della luce. I nuclei “sementi” sarebbero prodotti da EURISOL e la struttura con i fasci beta, che è stata elaborata all’interno dello Studio di Fattibilità, costituirebbe una naturale estensione di EURISOL.

Lo studio di fattibilità include la fabbricazione e le verifiche su prototipi di cavità superconduttrici completamente equipaggiate e il disegno, fabbricazione e verifica di un criomodulo con varii scopi per la parte di bassa energia dell’acceleratore lineare conduttore di protoni.

Uno studio di fattibilità della durata di quattro anni è cominciato nel 2005 al fine di lavorare sugli aspetti del progetto che costituiscono una sfida maggiore: la strumentazione e le questioni legate alla sicurezza dalle radiazioni. Si stanno esaminando sinergie con altri progetti, che includono lo studio di fattibilità per una nuova proposta di fasci beta per neutrini. Tutto ciò rappresenta una parte integrale dello Studio-di-Progetto. Dopo di che, i possibili luoghi per la costruzione verranno valutati e la comunità sarà allora pronta per un progetto ingegneristico completo, a cui farà seguito la costruzione dell’impianto.

I ricercatori e gli ingegnieri di diversi laboratori europei stanno collaborando suddivisi in dodici gruppi per portare avanti il progetto EURISOL.

Lo schema di EURISOL consiste in un acceleratore lineare superconduttore che fornirà protoni di 1GeV di energia ed una notevole potenza di 5MW che sarà anche capace di accelerare deutoni, 3He e ioni fino alla massa 40.I fasci arriveranno contemporaneamente su due tipi di targhetta, sia direttamente o dopo la conversione di protoni in neutroni attraverso un anello contenente 1 ton di mercurio circondato da chili di materiale fissile. I nuclei instabili prodotti si diffonderanno oltre la targhetta, saranno ionizzati e selezionati e potranno essere usati direttamente a bassa energia oppure riaccelerati da un altro acceleratore lineare fino alle energie di 150MeV per nucleone al fine di indurre ulteriori reazioni nucleari.

Prototipi di alcune parti tra le più critiche dell’impianto sono in costruzione durante lo studio di fattibilità, in particolare:

Del lavoro tecnico-preparatorio e dimostrativo di una postazione per una targhetta di elevata potenza per la produzione di fasci di frammenti di fissione, usando una targhetta di mercurio che effettui la conversione di protoni in neutroni, e la tecnologia di raffreddamento, è portato avanti in collaborazione con le comunità esperte in sorgenti di neutroni di spallazione, di sistemi guidati dagli acceleratori e di “fattorie” di neutrini. Il convertitore sarà circondato da una grande quantità di materiale fissile.

Schizzo di un impianto di fasci beta.

Oltre il modello standard

Fasci beta

La postazione per la targetta da Multi-MW

Sviluppo di cavità superconduttrici

Rivelazione di neutrini attraverso l’effettoCerenkov (dalla collaborazione Super Kamiokande).

Progressi nella tecnologia della targhetta e dell’acceleratore.

Risultati di misure di precisione di decadimento beta per verificare il modello standard.

INTERAZIONI FONDAMENTALIiNteraZioNi FoNdaMeNtali l’idea di eurisolL’IDEA DI EURISOL

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12 gruppi di lavoro portano avanti la parte scientifica e tecnologica

20 Istituzioni partecipanti da 14 nazioni europee

21 Istituzioni hanno contribuito da tutto il mondo

•Organizzazione• Postazione per la targhetta da multi-MW•Targhetta diretta•Targhetta di fissione•Sicurezza• Progetto dell’acceleratore di ioni pesanti• Progetto dell’acceleratore di protoni•Sviluppo delle cavità SC•Preparazione del fascio•Fisica e Strumentazione•Calcoli di intensità dei fasci•Fasci beta

GANIL Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, Caen, France

CNRS/IN2P3 Centre National de la Recherche Scientifique/ Institut National de Physique Nucléaire et de

Physique des Particules

Paris, France

INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Frascati (Roma), Italia

CERN European Organization for Nuclear Research Geneva, Switzerland

UCL Université Catholique de Louvain, Centre de Recherches du Cyclotron

Louvain-la-Neuve, Belgium

CEA Commissariat a l’Energie Atomique (Direction des Sciences de la Matiere)

Paris, France

NIPNE ‘’Horia Hulubei’’ National Institute for Physics and Nuclear Engineering

Bucharest-Magurele, Romania

JYU University of Jyväskylä Jyväskylä, Finland

LMU Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen Muenchen (Munich), Germany

FZJ Forschungszentrum Juelich GmbH Jülich, Germany

FI Institute of Physics Vilnius, Lithuania

UW Warsaw University Warsaw, Poland

SAV Institute of Physics - Slovak Academy of Sciences Bratislava, Slovakia

U-LIVERPOOL The University of Liverpool Liverpool, U.K.

GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung m.b.H Darmstadt, Germany

USDC Universidade de Santiago de Compostela Santiago de Compostela, Spain

STFC Science and Technology Facilities Council Swindon, U.K.

PSI Paul Scherrer Institute Villigen, Switzerland

IPUL Institute of Physics, University of Latvia Salaspils, Latvia

SU-MSL Stockholm University - Manne Siegbahn Laboratory

Stockholm, Sweden

U-FRANKFURT Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt, Germany

BINP Budker Institute of Nuclear Physics of Novosibirsk

Novosibirsk, Russia

VNIITF Russian Federal Nuclear Center - Zababakhin Institute of Technical Physics

Snezhinsk, Russia

PNPI Petersburg Nuclear Physics Institute Gatchina, Russia

ORNL Oak Ridge National Laboratory Oak Ridge, TN, USA

ANL Argonne National Laboratory Argonne, IL, USA

KAERI Korea Atomic Energy Research Institute Daejeon, Korea

JAERI Japan Atomic Energy Research Institute Kashiwa, Japan

TRIUMF Tri-University Meson Facility Vancouver, Canada

SOREQ Soreq Nuclear Research Centre Yavne, Israel

U-MAINZ Johannes Gutenberg Universität Mainz Mainz, Germany

KVI Kernfysisch Versneller Institut Groningen Groningen, Netherlands

U-SURREY The University of Surrey Guildford, UK

U-YORK The University of York Heslington, UK

U-PAISLEY University of Paisley Paisley, UK

VINCA VINCA Institute of Nuclear Sciences, Laboratory of Physics

Belgrade, Serbia

U-UPPSALA Uppsala University Uppsala, Sweden

NSCL National Superconducting Cyclotron Laboratory, Michigan State University

East Lansing, MI, USA

FNAL Fermi National Accelerator Laboratory Batavia, IL, USA

HUG Hospital University of Geneva Geneva, Switzerland

ITN Instituto Technologico e Nucleare Scavém, Portugal

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The EURISOL Design Study is financially supported

by the European Community under the FP6

“Research Infrastructure Action - Structuring the

European Research Areas” EURISOL DS project

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