with new symmetry-breaking corrections

Współczesna Alchemia:
Kreowanie i wykorzystywanie krótkożyciowych jąder atomowych
Witold Nazarewicz (Tennessee/ORNL/Warszawa)
Wydział Fizyki PW, 10 grudnia 2009
Konkluzje:
• Wstęp
•Fizycy• jądra
atomowego nauczyli się produkować i opisywać
Terytorium
femtostruktury
o kontrolowanych własnościach
• Fizykajądrowe
jąder egzotycznych
•Rzadkie
izotopy zawierają
odpowiedzi nai wiele
podstawowych
• Aspekty
interdyscyplinarne
zastosowawcze
pytań dotyczących fizyki współczesnej
• Perspektywy
•Rzadkie izotopy znajdują szereg zastosowań praktycznych
1 fm = 0.000000000000001 m = 10-15 m
Senex 1725
2009: Zobaczyć to uwierzyć…
Fries
15411630
Hondius
Organizmy żyjące
Budynki
Komórki
Kryształy
Materiały
Molekuły
Kwarki,
leptony
???
Atomy
Cząstki
elementarne
Superstruny?
skala
subatomowa
Jądra
atomowe
złożoność
Gwiazdy
Planety
redukcja
Klastry Galaktyk
Galaktyki
skala
makroskopowa
Drabina Kwantowa
Struktura jąder
atomowych
Niektóre jądra są równiejsze od innych…
W ostatniej dekadzie dokonał się ogromny postep w projektowaniu i
wytwarzaniu rzadkich jąder atomowych (designer nuclei) o specyficznych
własnościach przystosowanych do konkretnych potrzeb badawczych
struktura jądra
atomowego
45Fe
testy
podstawowych
praw natury
Wspólnym celem alchemików było odkrycie
metody transmutacji ołowiu w złoto (kamień
filozoficzny), lekarstwa na wszelkie choroby
(panaceum) oraz eliksiru nieśmiertelności
+
+
+ 225Ra +
+
-
astrofizyka
18F,22Na
zastosowania
149Tb
Dzięki fizyce jądrowej spełnia
się dziś marzenie alchemika…
Mapa nuklidów
liczba proroów Z
82
126
50
82
28
20
50
8
jądra stabilne
28
2
20
2 8
jądra
superciężkie
jądra znane
liczba neutronów N
terra incognita
Fizyka jąder atomowych
powłoki
elektronowe
w atomie
54
36
gazy szlachetne
(zamknięte powłoki)
5p
4d
5s
4p
3d
4s
18
3p
3s
10
2p
2s
From: Atom Animation Resources
nukleonowe
powłoki
w jądrze
1949
126
jądra magiczne
(zamknięte powłoki)
3p1/2
2f5/2
1i13/2
3p3/2
1h9/2
2f7/2
82
2d3/2 N-Z ?
1h11/2
3s1/2
1g7/2
2d5/2
50
1h9/2
2f5/2
3p1/2
3p3/2
2f7/2
1h11/2
1g7/2
2d3/2
3s1/2
2d5/2
1g9/2
1g9/2
Magiczność przestała być aksjomatem struktury jądra
atomowego
11Li:
boromejskie jądro halo
Z=3, N=8
układ n+n nie jest związany
układ n+ 9Li nie jest związany
ale układ n+n+ 9Li jest związany !
n
9Li
n
0.0000000000014 cm
208Pb:
silnie
związane ciężkie
jądro magiczne
Z=82, N=126
Węzły
Boromejskie
Od skór neutronowych do gwiazd neutronowych
Giant dipole
Pygmy dipole
neutrons
protons
density (nucleons/fm3)
0.12
100
Sn
0.08
0.04
N/Z=1
0.00
100
0.12
n
Zn
p
0.08
0.04
N/Z=2.33
0.00
0
2
4
r (fm)
6
8
2008
226Ra
238U
237Np
242Pu
245Cm
249Cf
Jądra Superciężkie
2004
244Pu
243Am
248Cm
+
48Ca
hot fusion
2 zdarzenia/rok
…also: 286,287114
48Ca+242Pu from LBNL
From Y. Oganessian
S. Cwiok, P.H. Heenen, W. Nazarewicz
Nature, 433, 705 (2005)
długożyciowe SHE
Układ Okresowy Pierwiastków 2009
Cn 113 114 115 116
118
112
Cn
Z=112: Copernicium
lotny metal szlachetny!
Nature 447,
72 (2007)
Jądra atomowe we Wszechświecie
berster
rentgenowski
(p,)
Jak powstają ciężkie
pierwiastki?
supernowa
(,)
(,p)
(p,)
(b+)
liczba neotronów
nowa
Jaki jest mechanizm
gwiezdnych eksplozji?
gwiazda
neutronowa
Jak zbudowane są
gwiazdy neutronowe?
liczba protonów
Jądra egzoryczne a promieniowanie gamma gwiazd nowych
Synergia fizyki jąder atomowych z astronomią
Hernanz et al, 2003
O Ne Mg Nova
Sonda INTEGRAL
szuka źródeł gamma
Nowa QUVul, HST
26gAl(p,)27Si
predicted -ray flux from
decaying radionuclides 18F,
22Na... synthesized in explosion
TRIUMF (2006)
Synthesis of e.g. 18F, 22Na, (26Al) very important for characteristic -ray emission from nova
TRIUMF
(2004)
21Na(p,)22Mg
energy loss
17F(p,)18Ne
18Ne capture
reaction
17F
scattered
17O scattered
on resonance
(600 keV)
total energy
HRIBF
(2008)
Proces r (rapid neutron capture)
Supernova
• Podczas wychwytu wielu neutronów powstają nuklidy cięższe
od niklu (50% ciężkich izotopów)
• Zachodzi podczas wybuchu supernowych lub fuzji gwiazd
neutronowych
masses, decays, level structure,
and reactions are all important for
calculating r-process reaction flow
http://www.jinaweb.org/html/gallery3.html
Rzadkie Izotopy, oddziaływanie słabe i Nagroda Nobla 2008 w Dziedzinie Fizyki
… za odkrycie podstaw złamania
symetrii co umożliwiło przewidzenie
istnienia co najmniej trzech rodzin
kwarków"
Superdozwolone rozpady beta 0+ 0+
(test unitarności macierzy Cabibbo-Kobayashi-Maskawa)
Ciepło
reakcji
Czas
rozpadu
Stosunek
rozgałęzień
nuclear
meson decay
From Hardy/Savard
with new symmetry-breaking corrections:
with new symmetry-breaking corrections:
0.9996(7)
Interdyscyplinarność i zastosowania
Fizyka jądra atomowego stanowi intelektualny pomost między
bardzo dużym i bardzo małym w świecie, który nas otacza
Jądra atomowe: małe układy złożone
Zrozumienie przejścia od skali mikroskopowej
do skali mezoskopowej i makroskopowej
Nanorurki
Kropki kwantowe
Rozrzedzone Ciecze Fermiego
•Materia neutronowa o małej gęstości
•Zimne atomy w pułapkach optycznych
Kondensaty
P. Magierski et
al., Phys. Rev.
Lett. 99, 120401
(2007)
Korzyści dla społeczeństwa
• Energetyka
• Transmutacja odpadów
radioaktywnych
• Medycyna
• Badania materiałowe
• Nauki o środowisku
• Obronność
Bracia Ernest i John Lawrence
John Lawrence was a physicist and
physician, a pioneer of nuclear
medicine. He discovered treatments for
leukemia and polycythemia by injecting
infected mice with radioactive
phosphorus derived from the cyclotron
invented by his brother
Within months of John's arrival in Berkeley, he and Ernest learned that their
mother was diagnosed with uterine cancer; she went to the Mayo Clinic for
treatment. John went to Mayo immediately. Mother Lawrence was told that she
had only three months to live. John tells the story in his oral history, in the
archives at Berkeley:
So then I got on the phone with Ernest. I said, "They don't want to treat her here with
radiation. How about my bringing her out and we'll talk to Dr. Stone?" We did talk to Dr.
Stone and he said, "Sure, I'll take her." So I took her on the train, wheeled her across the
station in Omaha. (…) She was about 67 or 68 years old then…. They started treating
her through four fields…. To make a long story short, this massive tumor just started
evaporating. At the end of ten years my mother finally agreed that she must be cured. It
took me about ten years to convince her and she died at 83 and had the best years of
her life…. It was really, really a fantastic result.
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. Niskoenergetyczne 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…
Pierwsze eksperymenty in
vivo z wykorzystaniem
emiteru alfa 149Tb w
laboratorium ISOLDE, CERN
nóż- !!!
G.-J. Beyer et al. Eur. J.
Nucl. Med. and Molecular
Imaging 33, 547 (2004)
Survival of mice…
5*106
100
5 MBq
90
149
Tb, 5 µg MoAb
% of survived mice
80
Przeciwciało monoklonalne
70
no MoAb
2 days later the mice have been devided into 4 groups:
60
300 µg MoAb, cold
50
40
5 µg MoAb, cold
30
20
10
0
0
20
40
60
80
Survival time, days
100
25
120
Perspektywy
Doświadczenie
FRIB
TRIUMF
RIKEN
NSCL
GANIL
HRIBF
Future major
facilities
Existing major
dedicated facilities
Radioactive Ion Beam Facilities Worldwide
GSI
ISOLDE
Powiązania interdyscyplinarne,
głównie z fizyką ciała stałego i
chemią kwantową!!!
liczba izotopów< liczba procesorow!
Narzędzia teorytyczne i związek z naukami komputerowymi
1Teraflop=1012 flops
1peta=1015 flops (today)
1exa=1018 flops (next 10 years)
Przykład: rozszczepienie wielomodalne w metodzie jądrowego
funkcjonału gęstosci
1939 - Meitner & Frisch
1939 - Bohr & Wheeler
70 lat temu!
A. Staszczak et al., Phys. Rev. C 80, 014309 (2009)
Podsumowanie
Rzadkie jadra atomowe stanowią łącznik pomiędzy podstawowymi
cegiełkami materii, układami złożonymi i kosmosem
• Fascynująca dziedzina wiedzy zawierająca liczne elementy
transformacyjne
• Ewolucja paradygmatów
• Aspekty Interdyscyplinarne
• Ogromny potencjał zastosowawczy
W ostatniej dekadzie dokonał się ogromny postep w projektowaniu i
wytwarzaniu rzadkich jąder atomowych o specyficznych własnościach
przystosowanych do konkretnych potrzeb badawczych. Wykorzystując
unikalne własnosci krótkożyciwych jąder atomowych, wkraczamy w fazę
dokładnego opisania silnie oddziałującego układu wielu ciał. Stały
ilościowy i jakościowy postęp w dziedzinie "jąder projektowanych"
dokonuje się dziś dzięki urządzeniom do przyśpieszania jąder
krótkożyciowych, nowym systemom badawczym o ogromnej
rozdzielczości, pełnemu wykorzystaniu mikroskopowych modeli
teoretycznych i superkomputerów najnowszej generacji. Wszystko to
pozwala nam z optymizmem patrzeć w przyszłość.
Dziękuję za uwagę
Backup