CERN i fizyka jadrowa: od wlasnosci jadra

CERN i fizyka jadrowa: od wlasnosci
jadra atomowego po medycyne
Magdalena Kowalska
CERN, PH-Dept.
Menu
•
•
•
•
•
Fizyka atomowa: wstep
Otwarte pytania w obecnej fizyce jadrowej
Fizyka jadrowa w CERNie
Fabryka izotopow ISOLDE
Od wlasnosci jadra do zastosowan
Struktura materii
Fizyka jadrowa: podstawy
Fizyka jadrowa zajmuje się badaniem
budowy i przemian jądra atomowego
Jadro atomowe:
- sklad: protony I neutrony
- ladunek elektryczny: Z x ladunek protonu
- rozmiar: kilka femtometrow: 10-15 m
- masa: masa neutronow i protonow – energia wiazania
- oddzialywanie: silne > slabe > elektromagn. > grawitacyjne
- czas zycia: od nanosekund do nieskonczonosci
Poczatki:
1911 (100 lat temu!) Rutherford publikuje artykul o odkryciu jadra atomowego
1932 Chadwick identyfikuje neutron
1935 Yukawa postuluje, ze oddzialywanie neutronow i protonow w jadrze jest
przenoszone za pomoca czastki zwanej mezonem
2011 Nadal nie znamy wszystkich wlasnosci oddzialywania jadrowego I brak jest
teorii jadra atomowego
Fizyka jadrowa: podstawy
Tabela nuklidow, czyli jader atomowych
Ok 300 nuklidow trwalych
3000 zidentyfikowanych nuklidow nietrwalych
Otwarte pytania w obecnej fizyce jadrowej
Jak wytlumaczyc tak roznorodne wlasnosci jader za pomoca jednego
fundamentalnego oddzialywania protonu z neutronem
2 rodzaje czastek: ogromna liczba
kombinacji i wlasnosci
Jak przewidziec wlasnosci nieznanych jader
Jak latwe i regularne wzory wylaniaja sie ze
struktury skomplikowanych jader?
Rozpad radioaktywny
Rozpad Beta: emisja elektronu lub pozytronu
Rozpad Alfa: emisja jadra helu
Emisja protonu lub neutronu
Emisja innych czastek, np. 2 protonow
(emisja gamma: przejscie jadra do stanu mniej wzbudzonego)
Badania nuklidow nietrwalych
Nuklidy nietrwale jako laboratorium
Fizyka jadrowa
wlasnosci oddzialywania; granice istnienia nuklidow
?
=
34Ne:
10 protonow + 24 neutronow
-> czy istnieje?
28
20
8
2
Produkcja pierwiastkow chemicznych
Ewolucja gwiazd
Częstość występowania pierwiastków we
Wszechświecie
relative abundance
Astrofizyka
mass
Zastosowania, np.
fizyka ciala stalego, biologia i medycyna
CERN a fizyka jadrowa
CERN: Europejskie Centrum Badan Jadrowych
Chociaz punkt ciezkosci przeszedl na czastki elementarne, badania nad jadrami
atomowymi nadal trwaja:
LHC: fizyka cząstek
elementarnych i
struktura nukleonów
450GeV
ALICE:
Fizyka jadrowa
(wysokich energii)
7 TeV
Fizyka jądrowa,
Astrofizyka
Antymateria
1GeV
50 MeV
protony
Jądra ciężkie
4MeV/u
Neutrina
28GeV
Fizyka jądrowa
(i ciała stałego)
Fabryka izotopow ISOLDE
Produkcja izotopow na ISOLDE
• ISOTOPE production
spallation
+
201
1 GeV p
Fr
fragmentation
+
238
11
U
Li
+
X
fission
n
p
+
143
Cs
+
Y
Eksperymenty ISOLDE
Badania na “wolnych” wiązkach radioaktywnych
Fizyka stosowana
Fizyka jądrowa
Spektroskopia rozpadu
jądrowego i reakcje
Struktura jader
Rozpady egzotyczne
Fizyka atomowa
Spektroskopia laserowa i
pomiary mass
Promienie i momenty jader,
jądrowe energie wiązania
Implantowane próbki
radioaktywne, izotopy do
diagnozy i terapii
Fizyka fazy skondensowanej
i biofizyka
Fizyka
“fundamentalna”
Astrofizyka
jądrowa
f(N,Z)
Dedykowane pomiary mas i
badania rozpadów
Testy unitarności macierzy
CKM, korelacje kierunku
beta-jadro
Dedykowane badania
rozpadów jądrowych i reakcji
Nukleosynteza jądrowa
Procesy słoneczne
Eksperymenty ISOLDE
• Experimental setups
Target stations
HRS & GPS
Mass-sep.
HRS
3×1013 ppp
WITCH
REX-ISOLDE
Travelling setups
Jony “przyspieszone”
PS-Booster
1.4 GeV protons
ISCOOL
RILIS
NICOLE
MINIBALL and T-REX
Travelling setups
COLLAPS
CRIS
ISOLTRAP
Troche zdjec
Troche zdjec
Wzbudzenia i rozpady
Spektroskopia laserowa
Laser beam,
Laser on fixed frequency
Ion beam
Neutralisation region
Retardation zone
Electrostatic
deflection
Excitation /
Observation
region
Pomiary mass jader
Pomiary mass jader
2m
determination of
cyclotron frequency
(R = 107)
B = 5.9 T
c 
1 q
B
2 m
removal of
contaminant ions
(R = 105)
B = 4.7 T
Bunching of the
continuous beam
ISOLTRAP
Astrofizyka
Przyklady badanych jader
Halo: jadro, w ktorym ostatnie protony/neutrony kraza bardzo daleko od centrum/kernelu
discussed
• 1985: pierwsze halo odkryte: 11Li
• 2012: znamy ok. 6 jader halo
• wazne dla zrozumienia szczegolow
oddzialywania jadrowego
11
8
11
8
=> Wazne informacje:
Masa
Spin/parzystosc
Moment magnetyczny
Promien masy I ladunku
Moment kwadrupolowy
Poziomy energetyczne
8
11Li:3p,8n
208Pb:82p,126n
Skanery PET
PET: pozytronowa tomografia emisyjna
Metoda diagnozowania w medycynie oparta o
emisję anty-elektronu
Metoda rozwinieta przez lekarzy
ze szpitala genewskiego i
fizykow z ISOLDE
Wiazanie metali z bialkami
Badanie polprzewodnikow
simulation SGa sites
experiment
-2
-1
0
1
2
-2
-1
0
1
2
[0001]
(01
10
2
1.46 1.38 1.30 1.23 1.15 1.07 0.99 0.92 -
)
1
(1120) 0
-1
(2
02
1)
-2
3
[1102]
2
1.43 1.36 1.29 1.22 1.15 1.08 1.01 0.94 -
1
(1120) 0
-1
(10
11
)
1.54
1.46
1.38
1.30
1.23
1.15
1.07
0.99
3
1.50
1.43
1.36
1.29
1.22
1.15
1.08
1.01
[1101]
1.45 1.38 1.30 1.23 1.16 1.08 1.01 0.94 -
2
1
(1120) 0
-1
1.52
1.45
1.38
1.30
1.23
1.16
1.08
1.01
3
[2113]
2
1.40 1.34 1.27 1.20 1.14 1.07 1.00 0.94 -
1
(0110) 0
-1
-2
-1
0
1
2
-2
-1
0
1
2 [deg]
1.47
1.40
1.34
1.27
1.20
1.14
1.07
1.00
Nowe izotopy do terapii
iv. Injection into mouse
i. Collection at ISOLDE
v. PET/SPECT imaging and
tumor treatment
1.4 GeV
Thank you
ii. Shipping to PSI
PSI
iii. Radiochemical purification and labeling
Podsumowanie
•Fizyka jadrowa swietuje 100 lat, ale nadal mamy przed soba wiele
ekscytujacych pytan
•CERN I fizyka jadrowa to dluga – jeszcze nie zakonczona - historia
•ISOLDE jako zrodlo jader nietrwalych
•Badania jader i wiele zastosowan
…
…
Reakcje transferu
Miniball + T-REX setup (Si detector
barrel): gamma detectors and particle
identification
p
d
g-decay
Produkowane izotopy
• Produced nuclides