liczba protonów Zliczba protonów Z

(1)

Egzotyczne przemiany jądrowe na fotografiach z OTPC

Marek Pfützner

1 M. Pfützner, KN PromienioTwórczy, 17 maja 2017

(2)

Plan

Wstęp – trochę o metodzie Odkrycie 2p

Detektor OTPC

2

Detektor OTPC Badanie

⁴⁵

Fe i

⁴⁸

Ni

Protony opóźnione: odkrycie β 3p Rozpad

⁶

He na α i d

Podsumowanie

M. Pfützner, KN PromienioTwórczy, 17 maja 2017

(3)

Nuklidy nietrwałe

(4)

Nowe rodzaje przemian

liczba protonów Z

Przemiana βp(p) 1963

Emisja p

ZX → _Z-1Y + p 1982

Emisja ¹⁴C

ZX_N → _Z-6Y_N-8 + ¹⁴C 1984

liczba neutronów N

liczba protonów Z

–nuklidy trwałe

–β⁺/ _WE

–β^-

–α

–rozszczepienie

–p, 2p

Emisja 2p

ZX → _Z-2Y + 2p 2002

(5)

tarcza

Produkcja

(reakcja jądrowa)

Akcelerator pocisków

Schemat eksperymentu

Selekcja

pocisków

Obserwacja

układ detektorów elektronika pomiarowa

komputery magnetyczny

separator produktów

(6)

Przykład: GSI Darmstadt

(7)

FRS : separator fragmentów w GSI

tarcza wiązka jonów

magnes dipolowy

pomiar czasu przelotu (s = 36 m)

dipolowy

magnes

kwadrupolowy detektory

detektory

Czas przelotu jonu v Tor lotu + pole B B ρ

Strata energii ∆ E w komorze jonizacyjnej Z A/q ≈ A/Z

}

(8)

Emisja 2p − pierwsze świadectwa

Pocisk Tarcza Separacja i identyfikacja w locie

Detektor Si

58Ni

p p

Całkowita energia i

czas

Czas przelotu < 1 µs

45Fe @ GANIL

45Fe @ GSI ⁵⁴Zn @ GANIL

Interpretacja na podstawie porównania energii i czasu z modelami jądrowymi.

Brak bezpośredniego dowodu na emisję dwóch protonów!

8

Giovinazzo et al., PRL 89 (02) 102501

0 1 2 3 4 5 6

0 1

Counts

E nerg y [M eV ]

1.0 1.2

0 1

M. P. et al., EPJ A 14 (2002) 279 Blank et al., PRL 94 (05) 232501

2

1 2^p 4 ms T ≅

2

1 2^p 4 ms T ≅

(9)

Nowy typ detektora

Nowatorski detektor zaprojektowany i skonstruowany w IFD WF UW.

Rejestruje tory cząstek naładowanych metodą fotografii cyfrowej

OTPC – Optical Time Projection Chamber

(10)

Zasada działania

Gaz roboczy (He/Ar/N₂) w polu elektrycznym

Oderwane elektrony

Promieniotwórczy jon Komora jonizacyjna z projekcją czasu i z odczytem optycznym (OTPC)

Oderwane elektrony dryfują z prędkością

≈ 1 cm/µs

Wzmocnienie

Światło

(11)

CCD Texas Instruments

•1000 ×1000 pix.

•12-bits

• image ampl. (×2000)

Schemat budowy

LabView OTPC HV

HI

CCD Hamamatsu

•512×512 pix.

•16-bits

• image ampl. (×2000)

11

Digitizer Frame Grabber

PXI

PC

TOF ΔE

Camera

PM

Trigger logic

100 MHz

OTPC HV

HI identification

& selection

trigger

(12)

Co rejestrujemy?

implantacja jonu

rozpad czas życia

obraz CCD

jon

rozpad

próbkowany sygnał z PMT

tory jonu i emitowanych cząstek czasowa sekwencja zdarzeń

rozpad

szczegóły rozpadu

(13)

θ

φ

Z

X

Y

Zasada rekonstrukcji

t

PM

L

_PM

= v

_d

t

∆t = 5 µs

13

XY

Kamera

L

_o

L_xy=115 mm

MeV 8 . 7

mm 125 )

10 5 (

115² ²

=

⇔

=

⋅ +

=

Eα

L

238

U

214Bi

(19.9 mn)

210Tl

(1.3 mn)

214Po

210Pb

22.3 y

0.021%

β α 7.7 MeV (164 µs)

rozpad α²¹⁴Po

(14)

Badanie 45Fe w NSCL/MSU

Wszystkie jony dolatujące do OTPC (A1900 ID)

45Fe: 2 /h

43Cr: 8 /min.

41Ti

10000 11000 12000 13000 14000

17500 20000 22500 25000 27500 30000

dE

TOF

Jony, które wyzwoliły układ OTPC

43Cr

45Fe

trigger

Luty 2007

National Superconducting Cyclotron Laboratory Michigan State University

(15)

Zdarzenia emisji 2p z ⁴⁵ Fe

M. Pfützner, KN PromienioTwórczy, 17 maja 2017 15

(16)

Rekonstrukcja w 3D

0 1

ϑ 50_463

Łącząc informacje z CCD i PMT można

zrekonstruować tory cząstek w przestrzeni

16

PMT ^-1

0 1

-1 0

1

-1

∆φ

ϑ₁ = (104 ±2)°, ϑ₁ = (70 ± 3)°

∆φ= (142 ±3)º θ_pp= (143 ±5)º

0.534 0.536 0.538

0 2 4 6

Time after implantation [ms]

Light intensity [a.u.]

Miernik et al., PRL 99 (07) 192501

Udało się to zrobić dla 75 zdarzeń

(17)

Korelacje między protonami z ⁴⁵ Fe

Rozkład energii i kątów między protonami jest nietypowy

i wskazuje na 3-ciałowy charakter emisji.

M. Pfützner, KN PromienioTwórczy, 17 maja 2017 17

Grigorenko et al., PLB 677 (2009) 30 Miernik et al., PRL 99 (07) 192501

Dobra zgodność z modelem teoretycznym opracowanym przez L. Grigorenko

MP, Karny, Grigorenko, Riisager, RMP 84 (12) 567

(18)

Wyładowanie

Rozbłyski bywają spektakularne ale są szkodliwe!

(19)

Badanie ⁴⁸ Ni

46

Fe

48

Ni

NSCL/MSU, marzec 2011: ⁵⁸Ni @ 160 MeV/u + ^natNi ⁴⁸Ni

10 zdarzeń

48Ni w ciągu 10 dni

Przekrój czynny:

σ= 150(50) fb !

Pomorski et al., PRC 90 (14) 014311

19 46Fe

44Cr

46

Fe

44

Cr

48

Ni

(20)

Promieniotwórczość 2p ⁴⁸ Ni

PMT 2p βp

Ion CCD

Pierwsza obserwacja emisji 2p z ⁴⁸Ni

20

Pomorski et al., PRC 83 (2011) 061303(R)

(21)

Wszystkie zdarzenia 2p z ⁴⁸ Ni

2p 2p 2p +βp

21

2p +βp

Four 2p events of ⁴⁸Ni

Q_2p= 1.29 (4) MeV

Pomorski et al., PRC 90 (14) 014311

(22)

Stan badań nad emisją 2p

48Ni

54Zn

58,59Ge

62,63Se

W lekkich jądrach wsutek małej bariery kulombowskiej emisja 2p jest b. szybka, (T_1/2(¹⁹Mg) ≈4 ps), lub natychmia-

stowa (stany rezonansowe)

Promieniotwórczość 2p obserwowana w ⁴⁵Fe, ⁵⁴Zn, ⁴⁸Ni i ¹⁹Mg

45Fe

67Kr

22 6Be

12O

19Mg

26S

30Ar

34Ca

- potwierdzone - przewidywane

- korelacje p-p wyznaczone Emitery 2p

15,16Ne

(23)

Emisja cząstek opóźnionych

Nuklidy dalekie od trwałości mają bardzo duże energie przemiany β!

Przejścia β zasilają stany o dużej energii, powyżej progu na separację cząstek.

23

Blank and Borge, Progress in Part. Nucl. Phys. 60 (2008) 403

(24)

Opóźnione protony

45

Fe

p

p _β2 _p

45

Fe

p

β p

24

p

β p

48

Ni p

β2 p

46

Fe

p

(25)

Odkrycie opóźnionej emisji 3p

45 45 *

26

Fe

19

→

25

Mn

20

+ + e

⁺

ν

_e

42

22

Ti

20

+ 3p

11%

125 rozpadów ⁴⁵Fe 38 rozpadów β

4 przypadki β3p

43 43 *

24

Cr

19

→

23

V

20

+ + e

⁺

ν

_e

40

20

Ca

20

+ 3p

0.08%

≈40 000 zdarzeń ⁴³Cr 12 β3p

45

Fe

2.57 2.58 2.59

0.0 0.2 0.4 0.6

Time after implantation [ms]

β3p

Miernik et al., PRC 76 (07) 041304(R)

Pomorski et al., PRC 83 (11) 014306(R) 20

Ca

20

+ 3p

0.08% 12 β3p

25

43

Cr

(26)

β 3p w ³¹ Ar?

β3p ? ³

p

2.1%

b =

3_p

0.1%

b <

oczekiwane

(27)

Tak, β 3p w ³¹ Ar!

Nowy tryb akwizycji − seria krótkich ekspozycji („filmik”)

27

Selekcja zdarzeń: w pierwszej klatce tylko dobrze zatrzymany jon ³¹Ar

21 000 „filmików”,

wszystkie przejrzane indywidualnie przez Olę Lis (Ciemny)

(28)

β 3p w ³¹ Ar

13 zdarzeń rozpadu β3p ³¹Ar

28

Lis et al., PRC 91, 064309 (2015)

Znane są tylko 3 przypadki przemiany β3p:

• ⁴⁵Fe (Miernik et al., PRC76, 2007)

• ⁴³Cr (Pomorski et al., PRC83, 2011)

• ³¹Ar (Lis et al., PRC, 2015)

Wszystkie odkryte przy pomocy OTPC!

(29)

Badanie halo 2n w ⁶ He

6He z bardzo małym prawdopodobieństwem rozpada się na α +

d

Raabe Anthony

29

Tursunov

Z powodu silnego tła elektronów β pomiar widma poniżej E_CM≅ 400 keV był niemożliwy

R. Raabe et al., Phys. Rev. C80 (2009) 054307

≈ 100% α + d

10

6

b

d

≃

⁻

Brak danych przy niskich energiach utrudnia porównanie z modelami teoretycznymi

(30)

6 He w OTPC

Eksperyment w CERN-ISOLDE, sierpień 2012

Paczka zawierająca ok. 10⁴ jonów ⁶He, przyspieszonych do 3 MeV/u przez REX-ISOLDE, jest zatrzymywana w OTPC (czerwone)

d

α

30

(czerwone)

Po implantacji rozpoczynamy ekspozycję 650 ms w oczeki- waniu na rozpady. Światło od wielu elektronów widoczne jest jako rozmazana chmura.

Widać też jeden rozpad

6He α + d (zielone) Różnica w głębokości implantacji odpowiada stracie energii

6He w pasku 5 µm Cu + 2 µm Au na oknie wejściowym

α

(31)

Podsumowanie

•

Zabadaliśmy dokładnie emisję 2p ⁴⁵Fei odkrylismy trzyciałowy charakter tej przemiany. Odkryliśmy emisję 2p w ⁴⁸Ni. Planujemy badanie korelacji p-p w ⁵⁴Zn.

•

OTPC okazał się doskonałym instrumentem do badania innych rzadkich procesów z emisją cząstek naładowanych. Jego energetyczna zdolność rozdzielcza jest

•

Detektor OTPC zbudowaliśmy z myślą o badaniu promieniotwórczości 2p (korelacje p-p).

31

z emisją cząstek naładowanych. Jego energetyczna zdolność rozdzielcza jest gorsza niż detektorów Si, ale pozwala mierzyć współczynniki rozgałęzienia z wiekszą dokładnością i nie jest czuły na tło elektronów β.

•

Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy nowe kanały rozpadu, jak β3p (⁴⁵Fe, ⁴³Cr, ³¹Ar), czy β2p w ⁴⁶Fe(obserwacja jednego zdarzenia!).

•

Zmierzyliśmy widmo deuteronów opóźnionych z ⁶He.

•

Pomiary z OTPC uzupełniają badania prowadzone innymi technikami.

Każdy eksperyment przynosi coś nowego

(32)

Dziękuję!

(33)

Dodatkowe slajdy

(34)

Beyond the proton drip-line

r V(r)

Competition between two decay modes The β

⁺

decay

Probability of transition:

Q

5

λ ^∼

The emission of particles

34

r

Decay energy may be large, but the weak interaction is really weak

∼

1 2

1 ms T >

To find where the drip-line actually is and to predict which decay will happen, precise estimates of atomic masses are required!

To study particle radioactivity fast techniques are needed!

There is a potential barrier which hampers

emission of an unbound proton (α, 2p, ¹⁴C,..)

exp 2

^out

2 [ ( ) ]

in

r

V r Q

p

dr

λ ^  ⁻ µ ⁻ ^⋅ ^ 

 ∫ 

∼

ℏ

(35)

Up to tellurium

Z=50

81,82Ru

85Pd

89Cd

92,93Sn

103Te Predictions of a simple model Olsen et al., PRL 111 (2013) 139903

2_p 0 , _p 0.2 2_p

Q > Q < Q 100 ns <T2^p <100 ms

simultaneous 2p emission

New terra incognita

35 48Ni

54Zn

45Fe N=50

Z=28

52,53Zn

57Ge

62Se

65,66Kr

69,70Sr

73Zr

77,78Mo

100 ns <T1 2 <100 ms

(36)

Between tellurium and lead

Z=82

145Hf Predictions of a simple model

N=Z

2_p 0 , _p 0.2 2_p

Q > Q > Q 100 ns <T1 2^pp <100 ms

sequential pp emission

pp 10

T < ⋅T_α

10 10

T <T < ⋅T

36

Z=50 N=50 N=82

103Te

110Ba

10 10

pp pp

T <T_α < ⋅T

(37)

A1900 separator

S1 vault Wedges at I1 and/or I2

Ion identification in-flight : ∆E + TOF

Reaction: ⁵⁸Ni at 161 MeV/u + ^natNi ⁴⁵Fe

(38)

31 Ar na separatorze FRS

”Search for two-proton decay of ³⁰Ar in flight by the tracking technique” by I. Mukha

OTPC

Si, wyzwalanie Si, veto Target

8 g/cm²Be

B ρ

₂

B ρ

₃ (MUSIC)^DE

Degrader

B ρ

₁

B ρ

₄

36Ar, 880 A MeV

TOF Eksperyment w GSI-FRS, sierpień 2012

36

Ar

³¹

Ar

³⁰

Ar

28

S p

p

Wiele jonów ³¹Ar dolatuje na koniec separatora Zatrzymujemy je w OTPC i badamy ich rozpady

31

Ar

Si, wyzwalanie

Wtórna tarcza

5 g/cm²Be

(MUSIC)

Degrader

5 g/cm²Al

38

Mukha et al., PRL 115 (2015) 202501

(39)

Rozpady ⁴⁵ Fe i ⁴³ Cr

43 2p

Cr+2p

Q_EC = 18.7 MeV T_1/2 = 7 ms

β

⁺

β

⁺

44Mn+p ⁴⁵Fe

β2p β3p 0.08%

β3p 11%

NSCL/MSU, 2007 2p

39

IAS IAS

βp

42Ti+p ⁴³V

45Mn

44Cr+p βp β2p

β4p βpα

43V+2p⁴²Ti+3p

41Sc+4p

40Ti+pα

≈ 70% ≈ 30%

β2p

41Sc+2p

40Ca+3p

Pomorski et al., Phys. Rev. 83 (2011) 014306

β2p

βp β2p

β3p

Miernik et al., PRL 99 (07) 192501

βp

liczba protonów Zliczba protonów Z

Egzotyczne przemiany jądrowe na fotografiach z OTPC

Marek Pfützner

Plan

Wstęp – trochę o metodzie Odkrycie 2p

Detektor OTPC

Detektor OTPC Badanie

Fe i

Ni

Protony opóźnione: odkrycie β 3p Rozpad

He na α i d

Podsumowanie

Nuklidy nietrwałe

Nowe rodzaje przemian

Produkcja

Schemat eksperymentu

Selekcja

Obserwacja

Przykład: GSI Darmstadt

FRS : separator fragmentów w GSI

Czas przelotu jonu v Tor lotu + pole B B ρ

Strata energii ∆ E w komorze jonizacyjnej Z A/q ≈ A/Z

}

Emisja 2p − pierwsze świadectwa

Nowy typ detektora

Zasada działania

Światło

Schemat budowy

Co rejestrujemy?

obraz CCD

próbkowany sygnał z PMT

θ

φ

Zasada rekonstrukcji

t

PM

L

= v

t

L

U

Badanie 45Fe w NSCL/MSU

Zdarzenia emisji 2p z 45 Fe

Rekonstrukcja w 3D

Korelacje między protonami z 45 Fe

Wyładowanie

Badanie 48 Ni

Fe

Ni

Fe

Cr

Ni

Promieniotwórczość 2p 48 Ni

Wszystkie zdarzenia 2p z 48 Ni

Stan badań nad emisją 2p

Emisja cząstek opóźnionych

Opóźnione protony

Fe

p

p β2 p

Fe

p

β p

p

β p

Ni p

β2 p

Fe

p

p

Odkrycie opóźnionej emisji 3p

Fe

→

Mn

+ + e

ν

Ti

+ 3p

Cr

→

Zdarzenia emisji 2p z ⁴⁵ Fe

Korelacje między protonami z ⁴⁵ Fe

Badanie ⁴⁸ Ni

Promieniotwórczość 2p ⁴⁸ Ni

Wszystkie zdarzenia 2p z ⁴⁸ Ni

p _β2 _p

β 3p w ³¹ Ar?

Tak, β 3p w ³¹ Ar!

β 3p w ³¹ Ar

Badanie halo 2n w ⁶ He

λ ^∼

λ ^  ⁻ µ ⁻ ^⋅ ^ 

Rozpady ⁴⁵ Fe i ⁴³ Cr