Status eksperymentalny badania reakcji ciężkich jonów w obszarze energii pośrednich

1. Status eksperymentalny badania reakcji ciężkich jonów w obszarze energii pośrednich Krystyna Wosińska Małgorzata Łukasik Arkadiusz Sztenkiel

2. Problematyka badań reakcji ciężkich jonów • Badanie sprężonej materii jądrowej (takiej, jaka istnieje w gwiazdach neutronowych) • Badanie stanów silnie wzbudzonych w materii jądrowej – przejście do stanu plazmy kwarkowo-gluonowej. • Badanie oddziaływań silnych przez analizę zderzeń nukleon-nukleon i ich modyfikację w ośrodku jądrowym. • Badanie jąder niestabilnych (wiązki radioaktywne) – dynamika reakcji jąder o dużej liczbie neutronów (N>>Z) różni się od dynamiki reakcji jąder stabilnych

3. Najważniejsze ośrodki badawcze Najważniejsze ośrodki, w których prowadzi się badania reakcji ciężkich jonów przy energiach pośrednich: • NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) – Michigan State University • GSI (Gesellschaft fűr Schwerionenforschung) - Darmstadt (Niemcy) • GANIL (Grand Accelerateur National d’Ions Lourds) – Caen (Francja) • JINR (Joint Institute for Nuclear Research) - Dobna (Rosja) • University of Jyväskylä Accelerator Laboratory

4. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) Czym zajmuje się laboratorium NSCL Dzięki najnowocześniejszej technologii (cyklotrony, separatory jąder, przyrządy pomiarowe) naukowcy w NSCL prowadzą badania nad jądrami izotopów. Bardzo duża część badanych izotopów nie występuje na ziemi naturalnie – większość z nich może powstawać wewnątrz gwiazd lub w czasie wielkiego wybuchu. Naukowcy w NSCL wyznaczają między innymi ich masy, czasy życia, wielkości, kształt.

5. Laboratorium NSCL Cyklotron K1200 Źródło jonów Separator jonów A1900 Cyklotron K500 Przyrządy pomiarowe

6. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) Źródło jonów W NCSL jonizacja atomów jest dokonywana w Electron Cyclotron Resonance(ECR). Jony z ECR są wstrzykiwane do cyklotronu gdzie zostaje przyśpieszone. Atomy, których jądra maja wchodzić w skład wiązki są utrzymywane w postaci par w specjalnej pułapce magnetycznej. Jonizacja jest dokonywana przez zderzenia z elektronami, które są przyśpieszane przez mikrofale.

7. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) Cyklotron K100 Jest to pierwszy cyklotron wykorzystujący nadprzewodzące magnesy przeznaczony do terapii medycznej. Został on skonstruowany w NSCL w 1990 roku. Następnie został przeniesiony do Gershenson Radiation Oncology Center at Harper University Hospital w Detroit. W akceleratorze tym przyśpieszane są jądra deuteronu do energii 100 MeV. Wiązka deuteronów kierowana jest na tarcze węglową lub berylową gdzie jądra deuteru rozpadają się na proton i neuron. Następnie wiązka neutronów kierowana jest na chorego. Połączenie terapii neutronowej z naświetlaniem daje bardzo dobre efekty nawet w przypadku zaawansowanemu stadium raka prostaty.

8. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) Cyklotron K250 Jest to cyklotron przyśpieszający protony. Wykorzystywany jest w terapii medycznej. Terapia protonowa ma tę własność, że protony jonizują ośrodek. Wartość jonizacji ośrodka zależy od głębokości na jaką wnika cząstka. Dzięki temu wiązka protonów może najbardziej oddziaływać tylko w obszarze ciała zaatakowanego rakiem, nie czyniąc szkody obszarowi wokół. Pozwala to na niszczenie raka nawet w miejscach bardzo wrażliwych jak arterie, mózg.

9. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) Cyklotron K500 Wyprodukowany w NSCL cyklotron K500 był pierwszym nadprzewodzącym cyklotronem na świecie. Może on przyśpieszać jądra dowolnego pierwiastka z układu okresowego. K500 stał się prototypem dla podobnych akceleratorów wybudowanych później w innych laboratoriach na całym świecie. Obecnie cyklotron K500 jest wykorzystywany do wstępnego przyśpieszanie jąder, trafiających następnie do akceleratora K1200.

10. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) Cyklotron K1200 Energia wiązki wychodzącej z cyklotronu K1200 może być regulowana w zakresie 20-200 MeV/nukleon. Jednak najczęściej do tego cyklotronu wstrzykiwana jest wiązka wstępnie przyśpieszona w cyklotronie K500. Takie połączenie dwóch cyklotronów pozwala na przyśpieszanie wiązek do większych energii. Dla przykładu, uran może być przyspieszony do energii 90 MeV/nukleon, kiedy sam cyklotron K1200 jest w stanie przyśpieszyć wiązkę uranu do 25 MeV/nukleon.

11. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) The A1900Fragment Separator A1900 dokonuje bardzo skutecznej selekcji - wybiera pożądany izotop z setek produkowanych w jądrowej reakcji. A1900 pozwala na wybranie interesującego izotopu z 1 000 000 000 000 000 000 jąder produkowanych w zderzeniach. A1900 dosłownie wybiera igłę z stogu siana, w mniej niż jednej milionowej sekundy. A1900 składa się układu magnesów o długości około 22 m.

12. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) Urządzenia pomiarowe

13. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) Urządzenia pomiarowe 4 pi array Detektor ma kształt piłki nożnej o średnicy 2m. Składa się 300 detektorów, zktórych każdy może mierzyć energię, kierunek, i typ emitowanejcząstki. • Spektrograf S800 • Podstawowe urządzenie pomiarowe NSCL • Charakteryzuje się: • Wysoką rozdzielczością, • Dużą akceptacją. • Pozwala mierzyć parametry bardzo rzadkich zdarzeń, jąder.

14. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) Urządzenia pomiarowe The Neutron Walls Składa się z 25 poziomu ustawionych szklanych rurek wypełnionych ciekłym scyntylatorem. Detektor ten pozwala wyznaczyć energię padających cząstek w tym także neutronów. The Beta-Nuclear Magnetic Resonance Apparatus (Beta-jądrowy rezonans magnetyczny) Służy do pomiaru właściwości magnetycznych (polaryzacji, spinu) produkowanych w zderzeniach jąder.

15. NSCL (National Superconducting Cyclotron Laboratory) Urządzenia pomiarowe The Sweeper Magnet (separator magnetyczny) Jest to pomocniczy przyrząd umożliwiający odseparowanie neutronów od innych cząstek. Wyseparowane neutrony mogą następnie być dostarczone do innych detektorów. Nisko-energetyczna pułapka jonowa W detektorze tym wyseparowane jądra przez A1900 są spowalniane do bardzo małych prędkości (energii). Mogą także być tu pułapkowane. Pozwala to na wyznaczenia masy rzadkich jąder, dzięki laserowemu spektroskopowi możliwa jest obserwacja ich kształtu, rozkładu.

16. GSI (Gesellschaft fűr Schwerionenforschung) Zakres badań fizyki jądrowej i hadronowej • Reakcje jądrowe w zakresie energii do energii relatywistycznych • Równanie stanu materii jądrowej • Badania gorącej, sprężonej i wysoko wzbudzonej materii hadronowej • Jądra egzotyczne, niestabilne i jądra super-ciężkie

17. GSI (Gesellschaft fűr Schwerionenforschung Akceleratory Plan akceleratorów w GSI: • UNILAC – Uniwersalny akcelerator liniowy • SIS – Cyklotron Ciężkich Jonów • FSR – Separator Fragmentów • ESR – Experimental Storage Ring

18. GSI (Gesellschaft fűr Schwerionenforschung SIS –Cyklotron Ciężkich Jonów Przyspiesza wiązkę do: 50 - 1000 MeV/u (dla jąder U) 50 - 2000 MeV/u (dla jąder Ne) Długość toru 216 m

19. GSI (Gesellschaft fűr Schwerionenforschung) ESR (Experimental Storage Ring) Przyspiesza wiązkę do energii: 3 - 560 MeV/u (dla jąderU) 3 - 830 MeV/u (dla jąder Ne)

20. GSI (Gesellschaft fűr Schwerionenforschung) Detektory Liczniki scyntylacyjne Detector FOPI – detektor pozwalający rejestrować cząstki i mierzyć ich pędy w kącie bryłowym 4 (FOur PI) Nadprzewodząca cewka wytwarza pole magnetyczne o indukcji 0,6 Tesla. Cząstki naładowane przechodzą przez komorę dryfową, która rejestruje ślad cząstki i jej stratę energii, następnie trafiają do liczników scyntylacyjnych, które mierzą czas przelotu od tarczy. Komora dryfowa

21. GSI (Gesellschaft fűr Schwerionenforschung) Detektory LAND –The Large Area NeutronDetector Spektrometr ALADIN przeznaczony do pełnej detekcji produktów fragmentacji pocisku • Przykładowe cele badawcze • Badanie egzotycznych, niestabilnych jąder • Zjawiska kolektywne w zderzeniach jąder ( flow, squeese out itp.) • Multifragmentacja w zderzeniach jąder (detekcja neutronów pozwala określić energię wzbudzenia

22. GSI (Gesellschaft fűr Schwerionenforschung) Detektory HADES - HighAcceptanceDi-Electron Spectrometer Spektrometr par elektron-pozyton zbudowany w kolaboracji 19 ośrodków badawczych w celu badania emisji par elektron-pozyton i produkcji di-leptonów w reakcjach ciężkich jonów

23. GSI (Gesellschaft fűr Schwerionenforschung Eksperyment z detektorem INDRA (1999) Dane eksperymentalne otrzymane za pomocą detektora INDRA w zakresie energii uzyskiwanych w laboratorium GANIL wskazują na istnienie wielu ciekawych efektów (neck formation, evaporation), które są przewidywane przez modele dynamiczne zderzeń (L-V, QMD). Przewiezienie detektora INDRA do GSI pozwoliło na rozszerzenie zakresu energii i uogólnienie wyciąganych wniosków

24. TAPS – Two Arm Photon Spectrometer • Detektor fotonów zaprojektowany i zbudowany przez europejską kolaborację wielu ośrodków badawczych, używany w eksperymentach wykonywanych na różnych europejskich akceleratorach.

25. Program badań TAPS – Two Arm Photon Spectrometer • Badanie wczesnej fazy reakcji przez detekcję „twardych” fotonów • Badanie powstawania i rozpadu mezonów 0 w materii jądrowej • Analiza korelacji foton-cząstka (TAPS rejestruje także protony i neutrony)

26. TAPS – Two Arm Photon Spectrometer Układ 384 detektorów scyntylacyjnych: plastikowych oraz zawierających kryształy BaF2 służy do detekcji i pomiaru energii wysokoenergetycznych fotonów i neutralnych mezonów. Kryształ BaF2 Schemat pojedynczego modułu detektora

27. GSI (Gesellschaft fűr Schwerionenforschung • Detektory TAPS w różnych eksperymentach były różnie ustawione

28. JINR (Joint Institute for Nuclear Research) Badania prowadzone są między innymi w dziedzinach: • Fizyka teoretyczna • Fizyka cząstek elementarnych • Fizyka ciężkich jonów • Zderzenia jonów przy niskich i pośrednich energiach • Badania w dziedzinie radiobiologii

29. Akceleratory JINR (Joint Institute for Nuclear Research) Nuklotron – nadprzewodzący synchrotron przyspieszający wiązki protonów, lekkich i ciężkich jonów do energii 6 GeV/u

30. JINR (Joint Institute for Nuclear Research) Izochroniczny cyklotron U-400 – wytwarzający wiązki jonów o masach atomowych 4 – 100 i energii do 25 MeV/u

31. JINR (Joint Institute for Nuclear Research) Cyklotron U-400M - przyspiesza lekkie jony (od He do Ar) do energii 50 MeV/u

32. JINR (Joint Institute for Nuclear Research) • Izochroniczny cyklotron U-200 – wytwarza wiązki jonów (o masach atomowych do masy Ne) o energii do 20 MeV/u

33. JINR (Joint Institute for Nuclear Research) Detektor FOBOS - układ detekcyjny pracujący na wiązce z cyklotrona U-400M. Spektrometr jest przeznaczony do badania reakcji jonów przy energiach 10-100 MeV/u przy czym pociskiem jest lekka cząstka, a tarczą - ciężka (direct reaction) Rejestruje cząstki naładowane z szerokiego zakresu energii, masy atomowej i w znacznym zakresie kąta bryłowego

34. University of Jyväskylä Accelerator Laboratory Akcelerator Izochroniczny cyklotron przyspiesza wiązki lekkich i ciężkich jonów do energii 130 MeV/u

35. Detektory University of Jyväskylä Accelerator Laboratory HENDES - High Efficiency Neutron Detection System – detektor rejestrujący jednocześnie neutrony i lekkie naładowane cząstki w koincydencji z fragmentami rozszczepienia. Komora próżniowa otoczona detektorami neutronów

36. University of Jyväskylä Accelerator Laboratory Position Sensitive Neutron Detectors [PSND]. Detektory neutronów to cylindry o długości 1 m i średnicy 6 cm wypełnione ciekłym scyntylatorem, z obu stron wyposażone w fotopowielacze. Z uwagi na możliwość określania pozycji rejestrowanej cząstki każdy detektor jest równoważny 10 pojedynczym detektorom neutronów. 48 detektorów otacza w dwóch warstwach komorę próżniową

37. University of Jyväskylä Accelerator Laboratory LSCLarge Scattering Chamber – główne urządzenie do badania reakcji jądrowych. Komora o średnicy 1,5 m daje możliwość stosowania różnych typów detektorów. Komora LSC

38. University of Jyväskylä Accelerator Laboratory Wnętrze komory LSC Detektory Tarcza (ruchoma drabinka)

39. Literatura • http://www.gsi.de • http://www.phys.jyu.fi/research/ • http://www.jinr.dubna.su/ • http://www.ganil.fr • http://www.nscl.msu.edu/