1 / 45

Wybrane Zagadnienia Fizyki Jądra Atomowego Witold Nazarewicz Tennessee/IFT UW

Wybrane Zagadnienia Fizyki Jądra Atomowego Witold Nazarewicz Tennessee/IFT UW Seminarium Oddziału Fizyki Jądrowej i Oddzialywań Silnych IFJ, Kraków, Grudzień 2009.

oral
Download Presentation

Wybrane Zagadnienia Fizyki Jądra Atomowego Witold Nazarewicz Tennessee/IFT UW

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Wybrane Zagadnienia Fizyki Jądra Atomowego Witold Nazarewicz Tennessee/IFT UW Seminarium Oddziału Fizyki Jądrowej i Oddzialywań Silnych IFJ, Kraków, Grudzień 2009 Współczesna fizyka  jądrowa koncentruje się na trzech powiązanych ze sobą działach: (i) chromodynamice kwantowej układów zimnych i  gorących; (ii) strukturze jąder atomowych i astrofizyce jądrowej; oraz  (iii) nowym modelu standardowym cząstek elementarnych. W prezentacji skoncentruję się na wybranych problemach fizyki jądrowej niskich  i wysokich energii, w kontekście szeroko rozumianego zagadnienia silnie oddziałujących układów wielu ciał.

  2. Relatywistyczne ciężkie jony • Równanie stanu QCD • Struktura hadronów • Hiperjądra Zdolność Rozdzielcza • Struktura jądra atomowego • Reakcje jądrowe • Równanie stanu materii nukleonowej • Astrofizyka jądrowa • Nowy model standardowy • Zastosowania fizyki jądrowej

  3. Ilościowa Teoria Jądra Atomowego • Struktura hadronów (zimne QCD) • Materia hadronowa (gorące QCD) • Struktura jądra atomowego • Astrofizyka jądrowa

  4. Low-lying Hadron Spectrum Dürr, Fodor, Lippert et al., BMW Collaboration Science 322, 1224 November 2008 More than 99% of the mass of the visible universe is made upof protons and neutrons. Both particles are much heavier thantheir quark and gluon constituents, and the Standard Model ofparticle physics should explain this difference. We presenta full ab initio calculation of the masses of protons, neutrons,and other light hadrons, using lattice quantum chromodynamics.Pion masses down to 190 mega–electron volts are used toextrapolate to the physical point, with lattice sizes of approximatelyfour times the inverse pion mass. Three lattice spacings areused for a continuum extrapolation. Our results completely agreewith experimental observations and represent a quantitativeconfirmation of this aspect of the Standard Model with fullycontrolled uncertainties

  5. Ab initio: GFMC, NCSM, CCM (nuclei, neutron droplets, nuclear matter) January 2009: best converged ab initio calculations of 12C ever made. E(th)=93.5(6) MeV E(ex)=92.16 MeV GFMC: S. Pieper, ANL • Quantum Monte Carlo (GFMC) 12C • No-Core Shell Model 14F • Coupled-Cluster Techniques 56Ni

  6. The Structure s=1/2 • hadron spectroscopy • “missing” resonances (N*) • glueballs, hybrids, exotic hadrons… • collective excitations • The origin of mass, spin • Quantum numbers and symmetries • nuclear spectroscopy • weakly bound nuclei and resonances • exotic nuclear states (unusual geometries) • collective excitations • The origin of binding, angular momentum • Quantum numbers and symmetries J=2 hypernuclear spectroscopy antiprotonic systems

  7. Nuclear Structure at High Spin: Laboratory of Symmetry Breaking in the Presence of Large Polarization size of the Hilbert space experimental selectivity 1967 1969 1972 1977 1982 1994 2006 2009 E.S. Paul et al., PRL 98, 012501 (2007)

  8. Peeking Inside the Nuclear Building Blocks Where Did All the Charge Go?

  9. TRIUMF/GSI (2006) 11Li nuclear radius (fm) Peeking Inside Nuclei: charge radii measurements ANL (2004) Precision measurements provide stringent test of nuclear models: core recoil effect is very sensitive to correlations between valence nucleons T1/2 ≈ 806 ms ANL/GANIL (2007) 11Be T1/2 ≈ 119ms ISOLDE (2008) RIKEN (2008) T1/2 ≈ 8.6 ms

  10. Fazy, Przejścia Fazowe, Zachowania Emergentne Powstawanie jakościowo nowych form i zachowań z oddziaływania między prostszymi elementami http://www.lsbu.ac.uk/water/phase.html

  11. The Phases of QCD Pisarski/Mc. Lerran non-CFL CFL

  12. Stephanov PoS(LAT2006)024 Danielewicz, Lacey, Lynch Science 298,1592 (2002) Exploring the phase properties….

  13. Low-density regime of neutron EOS • Dilute fermion matter: • strongly correlated (pairing) • very large scattering length (unitary limit) • Low-density neutron matter • Cold fermions in traps • Connections to quantum many-body systems • Understanding the transition from microscopic to mesoscopic to macroscopic • Symmetry breaking and emergent phenomena • Quantum chaos • Open quantum systems • Dynamical symmetries and collective dynamics Gezerlis and Carlson, Phys. Rev. C 77, 032801(R) (2008)

  14. Many-Body Open Quantum Systems Hadrons Nuclei Atoms Molecules Nanostructures Microwave resonators

  15. Characterization of phases ground state, excitations, collective modes • In bulk matter • In finite systems (quantum phase transitions) Characterization of individual phases is the first step towards understanding the phase diagram. The characterization of transitions between phases, critical points, triple points… is a true challenge!

  16. A New State of Matter Formed in “Little Bangs” Schaefer and Teaney (2009) Lacey et al., Phys. Rev. Lett. 98, 092301 (2007) ~0.08 Kovtun et al. Phys. Rev. Lett. 94, 111601 (2005) “Is the RHIC liquid the most perfect of all imperfect fluids?”

  17. Correlations Detailed, high quality measurements enabled by technical advances • jet quenching, dijet correlations • two-nucleon correlations at high energies • two-proton decay • …

  18. Short Range Correlations and Tensor Force Two-nucleon knockout R Subedi et al. Science 320, 1475 (2008) CERN Courier Jan 27, 2009 Theory explains the pn pair dominance in terms of the tensor force: Schiavilla et al. Phys. Rev. Lett. 98, 132501 (2007) Dominance of proton–neutron pairs at intermediate range (c.o.m. momenta around 400 MeV/c) 3N SRC? 2N SRC

  19. Digital photography of the ground-state 2-proton emitter 45Fe Miernik et al. Phys. Rev. Lett. 99, 192501 (2007) 45Fe First observation of b3p Miernik et al., PRC 76 (2007) 041304(R)

  20. Designer Nuclei in Nuclear Landscape superheavy nuclei 62Ga 78Ni 132Sn 45Fe 42Si 11Li 283112 45Fe 149Tb 220Th 101Sn 42Al 43Al 40Mg 99Sn 100Sn Novel decay modes 180Hg 95Cd 96Cd Characterizing the phases 82 126 Extending the limits 82 1228 28 20 50 Probing existence/changes of the shell structure far from stability 8 28 2 20 8 2 Over the last decade, tremendous progress has been made in techniques to produce designer nuclei, rare atomic nuclei with characteristics adjusted to specific research needs

  21. Fragile Shells 101Sn N=28 ANL(2007) HRIBF (2008) 103Sn N=50 NSCL (2009) N=16 GANIL (2007) GSI(2009) RIBF (2009) 24O N=20 Ne

  22. Jądra Superciężkie 226Ra 2008 238U 237Np 242Pu 245Cm 249Cf 2004 244Pu + 48Ca 243Am 248Cm hot fusion 2 zdarzenia/rok …also: 286,287114 48Ca+242Pu from LBNL From Y. Oganessian

  23. Układ Okresowy Pierwiastków 2009 Cn 113 114 115 116 118 112 Cn Z=112: Copernicium lotny metal szlachetny! Nature 447, 72 (2007)

  24. Jądra atomowe we Wszechświecie (p,) (,) (,p) (p,) (b+) berster rentgenowski supernowa Jak powstają ciężkie pierwiastki? p process s-process nowa Jaki jest mechanizm gwiezdnych eksplozji? r process rp process gwiazda neutronowa Crust processes liczba neotronów stellar burning Jak zbudowane są gwiazdy neutronowe? liczba protonów

  25. Future facility reach(here: FRIB) Some recent r-process related experiments N=126 HRIBF(d,p) transfer STOP N=82 ISOLTRAP masses GSI -decay STOP GSI/Mainz /Pn-decay N=50 ISOLDE 130Cd -endpoint GSI/RISING 130Cd isomers GSI IMS mass measurements STOP JYFLTRAP masses HRIBF -decay NSCL TOFmasses NSCL Pn-decay campaign(MSU, Mainz, PNNL, Maryland) from H. Schatz

  26. Synergy between nuclear science and astronomy Hernanz et al, 2003 ESA INTEGRAL Satellite searching for novae signatures O Ne Mg Nova Nova QUVul, HST 26gAl(p,)27Si TRIUMF (2006) 26gAl(p,p), 26gAl(p,d) HRIBF(2009) 17F(p,)18Ne 18Ne capture reaction 21Na(p,)22Mg TRIUMF (2004) 17F energy loss scattered 17O scattered on resonance (600 keV) HRIBF (2008) total energy predicted -ray flux from decaying radionuclides 18F, 22Na... synthesized in explosion Synthesis of e.g. 18F, 22Na, (26Al) very important for characteristic g-ray emission from nova

  27. Neutron-rich Matter in the Heavens and on Earth 132Sn Equation of state Laboratory observables In-medium interactions Many-body theory Neutron star crust Astronomical observables Microphysics (transport,…)

  28. Testing the fundamental symmetries of nature Parity violation studies in francium 126 82 Weak interaction studies in N=Z nuclei EDM search in radium bb0n searches 50 protons 82 • Specific nuclei offer new opportunities for precision tests of: • CP and P violation • Unitarity of the CKM matrix • … 28 20 50 8 28 neutrons 2 20 How will we turn experimental signals into precise information on physics beyond the standard model? 8 2 neutron EDM

  29. Superdozwolone rozpady beta 0+ 0+ (test unitarności macierzy Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) Rzadkie Izotopy, oddziaływanie słabe i Nagroda Nobla 2008 w Dziedzinie Fizyki Czas rozpadu Ciepło reakcji … za odkrycie podstaw złamania symetrii co umożliwiło przewidzenie istnienia co najmniej trzech rodzin kwarków" Stosunek rozgałęzień

  30. 62Ga @ TRIUMF (2006-2008) T1/2=116.100(22)ms, BR=99.858(8)% Jyväskylä (2008) BR=99.893(24) 34Ar, 34Cl @TAMU (2006) T1/2=843.8(4) ms,1.5268(5)s 38mK @TRIUMF (2008) BR=99.967(4)% 46V @ ANL (2005) Q=7052.90(40) keV 46V @ Jyväskylä (2006) Q=7052.72(31) keV Munich tandem (2008) Q=7052.10(31) keV 50Mn,54Co @Jyväskylä (2007) Q=7634.48(7), 8244.54(10) keV 26mAl,42Sc @Jyväskylä (2006) Q=4232.83(13),6426.13(21) keV 26mAl @ISOLDE (2008) Q 38mK

  31. with new symmetry-breaking corrections: with new symmetry-breaking corrections: 0.9996(7) nuclear meson decay From Hardy/Savard

  32. Experimental Tools

  33. Narzędzia teorytyczne i związek z naukami komputerowymi 1Teraflop=1012 flops 1peta=1015 flops (today) 1exa=1018 flops (next 10 years)

  34. Nuclear Physics Requires Exascale Computing from M. Savage

  35. Przykład: rozszczepienie wielomodalne w metodzie jądrowego funkcjonału gęstosci 1939 - Meitner & Frisch 1939 - Bohr & Wheeler 70 lat temu! • Staszczak et al., Phys. Rev. C 80, 014309 (2009)

  36. Societal Benefits • Energy, transmutation of waste… • Can we use fast neutron reactors and accelerators for the mitigation of long-lived radioactive waste? • Can we design an economically competitive, energy efficient, reduced-waste nuclear reactor? • Medical and biological research • Materials science • Environmental science • Stockpile stewardship

  37. nano… Complex Systems Giga… Cosmos femto… Physics of Nuclei Quantum many-body physics Nuclear Astrophysics • In-medium interactions • Symmetry breaking • Phases and phase transitions • Chaos and order • Open systems • Origin of the elements • Energy generation in stars • Neutron-rich nucleonic matter • Electroweak processes subfemto… • Hot and dense • Cold • How does complexity emerge from simple constituents? • How can complex systems display astonishing simplicities? How do nuclei shape the physical universe? In search of the New Standard Model Fundamental interactions • Neutrinos • Matter-antimatter imbalance • Beyond the new standard model

  38. Podsumowanie • Fizyka jądra atomowego to fascynująca dziedzina wiedzy zawierająca liczne elementy transformacyjne • Ewolucja paradygmatów • Aspekty interdyscyplinarne • Ogromny potencjał zastosowawczy • Zagadnienie silnie oddziałującego układu wielu ciał unifikuje współczesną fizykę jądra atomowego • Akceleratory i superkomputery nowej generacji stwarzają bezprecedensowe możliwości badawcze. • Duże współprace międzynarodowe (doświadczalne i teoretyczne) absolutnie krytyczne Dziękuję za uwagę

  39. Backup

  40. The Territory

  41. Realistic nuclear force Repusive core Lattice QCD calculation of nuclear force attraction Reid93 is fromV.G.J.Stoks et al., PRC49, 2950 (1994). AV16 is fromR.B.Wiringa et al., PRC51, 38 (1995). N. Ishii, S. Aoki, T. Hatsuda, Phys. Rev. Lett. 99, 022001 (2007) Tensor force from LQCD: http://arxiv.org/pdf/0903.5497

  42. Links to CMP/AMO science!!! number of nuclei < number of processors!

  43. Wykorzystanie unikalnych izotopów promieniotwórczych w medycynie Przykład: Targetowana Terapia Alpha in vivo Izotop promieniotwórczy149Tb jest emiterem alfa o czasie życia 4.1 h. Ze względu na stosunkowo długi czas życia, ten “izotop cyklotronowy” ma zastosowanie w onkologii. Nisko-energetyczne cząstki alfa produkowane w rozpadzie 149Tb niezwykle wydajnie zabijają komórki nowotworowe. Ze względu na krótki zasięg cząstek alfa, niszczący wpływ promieniowania na zdrowe komórki jest bardzo ograniczony… nóż- !!! Pierwsze eksperymenty in vivo z wykorzystaniem emiteru alfa 149Tb w laboratorium ISOLDE, CERN G.-J. Beyer et al.Eur. J. Nucl. Med. and Molecular Imaging 33, 547 (2004)

  44. Survival of mice… 100 149 5 MBq Tb, 5 µg MoAb 90 80 70 no MoAb 60 300 µg MoAb, cold % of survived mice 50 40 5 µg MoAb, cold 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 120 Survival time, days 5*106 Monoclonal Antibody 2 days later the mice have been devided into 4 groups:

More Related