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ISOLDA

Sala experimental ISOLDE.

La instalación de haces de iones radiactivos ISOLDE (Isotope Separator On Line DEvice) es una instalación de separación de isótopos en línea ubicada en el centro del complejo de aceleradores del CERN en la frontera franco-suiza. [1] Creada en 1964, la instalación ISOLDE comenzó a suministrar haces de iones radiactivos (RIB) a los usuarios en 1967. Originalmente ubicada en el acelerador de sincrociclotrón ( SC) (el primer acelerador de partículas del CERN), la instalación ha sido modernizada varias veces , la más notable fue en 1992 , cuando toda la instalación se trasladó para conectarla al Proton Synchroton B ooster (PSB) del CERN. ISOLDE es actualmente la instalación en funcionamiento más antigua del CERN, con desarrollos continuos de la instalación y sus experimentos que mantienen a ISOLDE a la vanguardia de la ciencia con RIB. ISOLDE beneficia a una amplia gama de comunidades de físicos con aplicaciones que abarcan la física nuclear, atómica, molecular y del estado sólido, pero también la biofísica y la astrofísica, así como experimentos de alta precisión que buscan la física más allá del Modelo Estándar. La instalación es operada por la Colaboración ISOLDE, que comprende el CERN y dieciséis países (en su mayoría) europeos. [2] A partir de 2019, cerca de 1.000 experimentalistas de todo el mundo (incluidos todos los continentes) vienen a ISOLDE para realizar típicamente 50 experimentos diferentes por año. [3] [4]

Los núcleos radiactivos se producen en ISOLDE disparando un haz de protones de alta energía (1,4 GeV) mediante el acelerador PSB del CERN sobre un blanco de 20 cm de espesor. Se utilizan varios materiales de destino en función de los isótopos finales deseados que solicitan los experimentadores. La interacción del haz de protones con el material del objetivo produce especies radiactivas mediante reacciones de espalación , fragmentación y fisión . Posteriormente se extraen de la mayor parte del material del objetivo mediante procesos de difusión térmica calentando el objetivo a unos 2000 °C. [5]

El cóctel de isótopos producidos se filtra finalmente utilizando uno de los dos separadores de masas dipolares magnéticos de ISOLDE para obtener el isóbaro de interés deseado. El tiempo necesario para que se produzca el proceso de extracción depende de la naturaleza del isótopo deseado y/o del material de destino y establece un límite inferior para la vida media de los isótopos que se pueden producir mediante este método, y suele ser del orden de unos pocos milisegundos. Para una separación adicional, la fuente de ionización por láser de resonancia ( RILIS ) utiliza láseres para ionizar un elemento particular, que separa los radioisótopos por su número atómico. [6] Una vez extraídos, los isótopos se dirigen a uno de varios experimentos de física nuclear de baja energía o a un área de recolección de isótopos. En 2018 se completó la construcción de una importante actualización del post-acelerador REX al acelerador lineal superconductor HIE-ISOLDE ( High Intensity and Energy Upgrade) , lo que permite la reaceleración de radioisótopos a energías más altas que las alcanzables anteriormente. [ 7]

Fondo

La mayoría de los núcleos atómicos contienen protones y neutrones. El número de protones determina el elemento químico al que pertenece el núcleo. Los diferentes isótopos del mismo elemento tienen diferentes cantidades de neutrones en sus núcleos, pero contienen la misma cantidad de protones. Por ejemplo, los isótopos del carbono incluyen carbono-12 , carbono-13 , carbono-14 , que contienen 6, 7, 8 neutrones respectivamente, pero todos contienen 6 protones. Cada isótopo de un elemento tiene un estado de energía nuclear diferente y puede tener diferente estabilidad.

Tabla de nucleidos

Un nucleido es un término más general que isótopo y se refiere a átomos que tienen un número particular de protones y neutrones. Los nucleidos estables no son radiactivos y no experimentan desintegración radiactiva espontánea, por lo que se encuentran más habitualmente en la naturaleza. [8] Mientras que los nucleidos inestables (es decir, radiactivos) no se encuentran en la naturaleza, a menos que haya una fuente reciente de ellos, porque tienen una vida más corta y se desintegrarán espontáneamente , en uno o más pasos, en nucleidos más estables. Por ejemplo, el carbono-14 es inestable pero se encuentra en la naturaleza. Los científicos utilizan aceleradores y reactores nucleares para producir nucleidos radiactivos. Como tendencia general, y entre otros factores, la relación neutrón-protón de un nucleido determina su estabilidad. El valor de esta relación para nucleidos estables generalmente aumenta para núcleos más grandes con más protones y neutrones. [9] Muchos nucleidos inestables tienen relaciones neutrón-protón más allá de la zona de estabilidad. El tiempo necesario para perder la mitad de una cantidad de un nucleido dado a través de desintegraciones radiactivas, la vida media , es una medida de cuán estable es un isótopo. [10]

Los nucleidos se pueden representar visualmente en una tabla ( diagrama de Segré o tabla de nucleidos) donde se grafica el número de protones frente al número de neutrones. [11]

Historia

Excavación de un área experimental subterránea para ISOLDE en 1966

En 1950, dos físicos daneses, Otto Kofoed-Hansen y Karl-Ove Nielsen, descubrieron una nueva técnica para producir radioisótopos que permitía la producción de isótopos con vidas medias más cortas que los métodos anteriores. [12] El experimento de Copenhague que llevaron a cabo incluía una versión simplificada de los mismos elementos utilizados en los experimentos modernos en línea. [13] Diez años después, en Viena , en un simposio sobre la separación de radioisótopos, se publicaron los planes para un separador de isótopos "en línea". Utilizando estos planes, el Grupo de Química Nuclear (NCG) del CERN construyó un prototipo de separador de masa en línea acoplado a un objetivo y una fuente de iones, que fue bombardeado por un haz de protones de 600 MeV entregado por el Sincrociclotrón del CERN . La prueba fue un éxito y demostró que el SC era una máquina ideal para la producción en línea de isótopos raros. [14] El plan para un separador de isótopos electromagnéticos fue desarrollado durante 1963-4 por físicos nucleares europeos y, a finales de 1964, su propuesta fue aceptada por el Director General del CERN y comenzó el proyecto ISOLDE. [15]

Instalación ISOLDE en el CERN en 1968

El "Comité de Finanzas" del proyecto se creó originalmente con cinco miembros, pero luego se amplió a doce para incluir dos miembros por "país" (incluido el CERN). Como el término "Comité de Finanzas" tenía otras connotaciones, se decidió "hasta que se encontrara un nombre mejor" llamar al proyecto ISOLDE y al comité Comité ISOLDE. En 1965, mientras se excavaba la sala subterránea del CERN, se estaba construyendo el separador de isótopos para ISOLDE en Aarhus . [13] En mayo de 1966, el SC cerró para realizar algunas modificaciones importantes. Una de estas modificaciones fue la construcción de un nuevo túnel para enviar haces de protones a una futura sala subterránea que estaría dedicada a ISOLDE. [16] La construcción del separador avanzó a buen ritmo en 1966, junto con el nombramiento de Arve Kjelberg como el primer coordinador de ISOLDE, y la sala subterránea se terminó en 1967. El 16 de octubre de 1967, los primeros haces de protones interactuaron con el objetivo y los primeros experimentos tuvieron éxito al demostrar que la técnica funcionaba como se esperaba. [17] En 1969, se publicó el primer artículo con estudios de varios isótopos de vida corta. [18] [17]

Poco después de que comenzara el programa experimental ISOLDE, se planearon algunas mejoras importantes para el SC. En 1972, el SC cerró para mejorar la intensidad de su haz cambiando su sistema de radiofrecuencia . El Programa de Mejora del SC (SCIP) aumentó la intensidad del haz de protones primario en un factor de aproximadamente 100. Para poder manejar esta instalación ISOLDE de alta intensidad, también se necesitaron algunas modificaciones para extraer con éxito el haz mejorado para ISOLDE. Después de las modificaciones necesarias, la nueva instalación ISOLDE, también conocida como ISOLDE 2, se lanzó en 1974. [19] Su nuevo diseño de objetivo combinado con la mayor intensidad del haz del SC condujo a mejoras significativas en el número de nucleidos producidos. Sin embargo, después de algún tiempo, la corriente del haz externo del SC comenzó a ser un factor limitante. La colaboración discutió la posibilidad de trasladar la instalación a un acelerador que pudiera alcanzar valores de corriente más altos, pero decidió construir otro separador con un diseño ultramoderno para la instalación. El nuevo separador de alta resolución, ISOLDE 3, estuvo en pleno uso a finales de los años 80. [20] [21] En 1990 se instaló en la instalación una nueva fuente de iones RILIS para producir de forma selectiva y eficiente haces radiactivos. [22]

Robots industriales utilizados en las instalaciones de ISOLDE

El SC fue desmantelado en 1990, después de haber estado en funcionamiento durante más de tres décadas. Como consecuencia, la colaboración decidió trasladar la instalación ISOLDE al Sincrotrón de Protones y colocar los objetivos en un haz externo desde su amplificador de 1 GeV. La construcción de la nueva sala experimental ISOLDE comenzó unos tres meses antes del desmantelamiento del SC. [21] Con la reubicación también vinieron varias mejoras. La más notable es la instalación de dos nuevos separadores de masa de dipolo magnético. Un separador de propósito general con un imán de flexión y el otro es un separador de alta resolución con dos imanes de flexión. [23] Este último es una versión reconstruida del ISOLDE 3. [24] [25] El primer experimento en la nueva instalación, conocido como ISOLDE PSB, se realizó el 26 de junio de 1992. [26] En mayo de 1995, se instalaron dos robots industriales en la instalación para manipular los objetivos y las unidades de fuentes de iones sin intervención humana. [27]

La nueva línea de transferencia de haz entre REXTRAP y REXEBIS durante el montaje

Para diversificar las actividades científicas de la instalación, en 1995 se aprobó un sistema post-acelerador llamado REX-ISOLDE ( Experimentos de haces radiactivos en ISOLDE) y se inauguró en la instalación en 2001. [28] [29] [30] Con esta nueva incorporación, ahora se pueden realizar en ISOLDE experimentos de reacción nuclear que requieren un RIB de alta energía. [29] Además, REXTRAP funciona como una trampa Penning para el REX-ISOLDE y luego transfiere haces de iones a REXEBIS, una fuente de iones de haz de electrones ( EBIS ), que atrapa los isótopos producidos y los ioniza aún más. [31] [32]

El edificio de la instalación se amplió en 2005 para permitir la instalación de más experimentos. ISCOOL, un enfriador y agrupador de iones, que aumenta la calidad del haz para los experimentos, se instaló en la instalación en 2007. [33] En 2006, el Consejo Asesor Internacional decidió que la actualización de la sala ISOLDE con un diseño de post-acelerador lineal basado en resonadores superconductores de cuarto de onda permitiría una disponibilidad de energía completa, crucialmente sin la reducción de la calidad del haz. [34] [35] El proyecto HIE-ISOLDE fue aprobado en diciembre de 2009 e implica una actualización del rango de energía de 3 MeV por nucleón, a 5 MeV, y por último a 10 MeV por nucleón. [36] [37] El diseño también incorporó una actualización de la intensidad para hacer el mejor uso de los haces de protones entregados. [35] El proyecto de actualización se dividió en tres fases diferentes, que se completarán en varios años.

A finales de 2013 se inició la construcción de una nueva instalación para la investigación médica llamada CERN MEDICIS ( Medical Isotopes Collected from ISOLDE ) . De los haces de protones incidentes utilizados en ISOLDE, solo el 10% se detiene en los objetivos y alcanza su objetivo, mientras que el 90% restante no se utiliza. [38] La instalación MEDICIS está diseñada para trabajar con los haces de protones restantes que ya han pasado por un primer objetivo. El segundo objetivo produce radioisótopos específicos que se envían a hospitales e instalaciones de investigación y pueden convertirse en inyectables. [39]

Módulo criogénico ensamblado en la sala limpia SM18 para la instalación HIE-ISOLDE del CERN

En 2013, durante el Long Shutdown 1 , [40] se demolieron tres edificios de ISOLDE. Se han vuelto a construir como un nuevo edificio único con una nueva sala de control, una sala de almacenamiento de datos, tres laboratorios láser, un laboratorio de biología y materiales y una sala para visitantes. También se construyó otra ampliación del edificio para el proyecto MEDICIS y varios otros equipados con sistemas eléctricos, de refrigeración y ventilación que se utilizarán para el proyecto HIE-ISOLDE en el futuro. Además, los robots que se instalaron para el manejo de objetivos radiactivos se han reemplazado por robots más modernos. [41] En 2015, por primera vez, un haz de isótopos radiactivos pudo acelerarse a un nivel de energía de 4,3 MeV por nucleón en la instalación de ISOLDE gracias a las actualizaciones de HIE-ISOLDE. [42] A finales de 2017, la instalación CERN-MEDICIS produjo sus primeros radioisótopos y para finales de 2020 había proporcionado 41 lotes de radioisótopos a nueve hospitales e instalaciones de investigación externas. [43] [44] La fase 2 de la actualización HIE-ISOLDE de la instalación se completó en 2018, lo que permite a ISOLDE acelerar haces radiactivos hasta 10 MeV por nucleón. [45]

Instalación y concepto

Modelo de instalación de ISOLDE (2017)

Las instalaciones de ISOLDE albergan los laboratorios de clase A, los edificios para los proyectos HIE-ISOLDE y MEDICIS y las salas de control ubicadas en el edificio 508. Antes de ISOLDE, los nucleidos radiactivos se transportaban desde la zona de producción hasta el laboratorio para su análisis. En ISOLDE, todos los procesos, desde la producción hasta las mediciones, están conectados y el material radiactivo no requiere transporte adicional. Por ello, ISOLDE se considera una instalación en línea.

En la instalación ISOLDE, el haz de protones principal para las reacciones proviene del PSB. El haz de protones entrante tiene una energía de 1,4 GeV y su intensidad media varía hasta 2 μA. El haz entra en la instalación y se dirige hacia uno de los dos separadores de masa: el separador de propósito general (GPS) y el separador de alta resolución (HRS). Los separadores tienen sistemas de fuente de iones objetivo que funcionan de forma independiente y generan RIB de 60 keV. [46]

Objetivo de tantalio-232 ISOLDE irradiado

Los objetivos utilizados en ISOLDE permiten la producción y extracción rápida de núcleos radiactivos. Los objetivos a veces consisten en metal fundido mantenido a alta temperatura (700 °C a 1400 °C), lo que da como resultado largos tiempos de liberación de isótopos. [47] Calentar el objetivo a temperaturas más altas, generalmente por encima de los 2000 °C, hace que el tiempo de liberación sea más rápido. [46] El uso de un objetivo más pesado que el isótopo deseado da como resultado la producción por espalación o fragmentación. [48]

Las fuentes de iones, utilizadas en combinación con los objetivos en ISOLDE, producen un haz de iones de (preferiblemente) un elemento químico. Se utilizan tres tipos: fuentes de iones de superficie, fuentes de iones de plasma y fuentes de iones láser. [46] Las fuentes de iones de superficie consisten en un tubo de metal con una función de trabajo alta calentada hasta 2400 °C, de modo que el átomo pueda ionizarse. [48] Si un átomo no puede ionizarse en la superficie, se utiliza la fuente de iones de plasma. El plasma se produce mediante una mezcla de gases ionizados y se optimiza utilizando un campo magnético adicional. [46] La fuente de iones láser utilizada en ISOLDE es RILIS. [49]

El GPS está hecho con un imán de doble enfoque con un radio de curvatura de 1,5 m y un ángulo de curvatura de 70°. [50] La resolución del GPS es de aproximadamente 800. [51] El GPS envía haces a un patio de distribución electrónico, lo que permite extraer simultáneamente tres haces separados por masa. El segundo separador, el HRS, consta de dos imanes dipolares, con radios de curvatura de 1 m y ángulos de curvatura de 90° y 60°, y un elaborado sistema iónico-óptico. La resolución general del HRS se ha medido como 7000, lo que permite su uso para experimentos que requieren valores de resolución de masa más altos. El patio de distribución del GPS y el HRS están conectados a una línea de haz central común que se utiliza para proporcionar haz a las diversas configuraciones experimentales ubicadas en la instalación ISOLDE. [52]

Plataforma de alto voltaje ISCOOL

ESTUDIO

El enfriador IS OLDE COOL (ISCOOL) se encuentra aguas abajo del HRS y se extiende hasta el patio de maniobras de fusión que une los dos haces separadores de masa. ISCOOL es un enfriador y concentrador cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQCB) de uso general, cuyo propósito es enfriar (mejorar la calidad del haz) y concentrar el RIB del HRS. Los iones entrantes chocan con el gas amortiguador neutro, pierden su energía y luego se confinan radialmente. Luego, el haz se extrae de ISCOOL. [53] [54]

Rilis

Instalación de RILIS en ISOLDE

Los separadores de masa magnéticos pueden separar isóbaros por número de masa, pero no pueden clasificar isótopos de la misma masa. Si un experimento requiere un mayor grado de pureza química, necesitará que el haz tenga una separación adicional, por número de protones. RILIS proporciona esta separación mediante el uso de fotoionización por resonancia escalonada, que implica longitudes de onda láser ajustadas con precisión que coinciden exactamente con las energías de transición electrónica sucesivas de un elemento específico. [55] [56] La ionización solo se producirá en el elemento deseado, y los demás elementos dentro de la fuente de iones permanecerán inalterados. Este proceso de ionización láser tiene lugar en una cavidad de metal caliente para proporcionar el confinamiento espacial necesario para que se ilumine el vapor atómico. Se necesita un sistema láser de alta frecuencia para ionizar el átomo antes de que salga de la cavidad. [57] [58] En total, la instalación ISOLDE proporciona 1300 isótopos de 75 elementos de la tabla periódica. [52]

CERN-MEDICIS

El robot MEDICIS produce isótopos para la investigación médica

El proyecto CERN-MEDICIS tiene como objetivo suministrar isótopos radiactivos para aplicaciones médicas. Los haces de protones del PSB conservan el 90% de su intensidad después de impactar en un objetivo estándar en las instalaciones. La instalación CERN-MEDICIS utiliza los protones restantes en un objetivo que se coloca detrás del objetivo HRS, con el fin de producir radioisótopos para fines médicos. El objetivo irradiado se transporta luego al edificio MEDICIS mediante un transportador automatizado para separar y recolectar los isótopos de interés. [59]

REX-ISOLDA

El post-acelerador REX-ISOLDE es una combinación de diferentes dispositivos utilizados para acelerar radioisótopos para aumentar su energía a 10 MeV por nucleón, que se incrementó de 3 MeV por nucleón debido a las actualizaciones de HIE-ISOLDE. Los RIB entrantes tienen suficiente energía para superar el primer umbral de potencial de la trampa de Penning, REXTRAP, pero dentro de la trampa los iones pierden energía a través de colisiones con átomos de gas amortiguador. Esto enfría los iones y su movimiento se amortigua mediante una combinación de una excitación de radiofrecuencia (RF) y un gas amortiguador. Los haces de iones se extraen de REXTRAP y se inyectan en REXEBIS. [60] [61] [54]

REXEBIS, la fuente de iones por haz de electrones, en ISOLDE

REXEBIS utiliza un campo magnético fuerte para concentrar los electrones de un cañón de electrones con el fin de producir iones altamente cargados. Los iones se confinan radial y longitudinalmente, después de lo cual sufrirán una ionización gradual a través del impacto de electrones. [60] [62] Se requiere un separador de masa para separar los iones subsiguientes, debido a la pequeña intensidad después de ser extraídos del EBIS. [63]

La siguiente etapa de REX-ISOLDE consiste en un acelerador lineal de conducción normal (a temperatura ambiente), donde los iones son acelerados por un RFQ. Una estructura interdigital de tipo H (IH) utiliza resonadores para aumentar la energía del haz hasta su valor máximo. [64] [60]

REX-ISOLDE fue originalmente diseñado para acelerar isótopos ligeros, pero ha superado este objetivo y ha proporcionado haces posacelerados de un rango de masas más amplio, desde 6 He hasta 224 Ra. El posacelerador ha entregado haces acelerados de más de 100 isótopos y 30 elementos desde su puesta en servicio. [65]

Actualizaciones de HIE-ISOLDE

Para poder satisfacer las necesidades cada vez mayores de mayor calidad, intensidad y energía del haz de producción es muy importante para instalaciones como ISOLDE. Como última respuesta para satisfacer estas necesidades, el proyecto de actualización HIE-ISOLDE está actualmente en curso. Debido a su planificación por fases, el proyecto de actualización se está llevando a cabo con el menor impacto posible en los experimentos que continúan en la instalación. El proyecto incluyó un aumento de energía para el REX-ISOLDE hasta 10 MeV, así como actualizaciones del resonador y el enfriador, mejora del haz de entrada de PSB, mejoras en los objetivos, las fuentes de iones y los separadores de masa. Tras la finalización de la actualización de la fase dos en 2018 para el HIE-ISOLDE, que incluyó la instalación de cuatro criomódulos de beta alta , la siguiente y última fase reemplazará las estructuras REX después de la estructura IH (IHS) con dos criomódulos de beta baja. Esto mejorará la calidad del haz y permitirá una energía continuamente variable entre 0,45 y 10 MeV por nucleón. [66] Como proyecto de última generación, se espera que el HIE-ISOLDE amplíe las oportunidades de investigación en las instalaciones de ISOLDE al siguiente nivel. Cuando se complete, las instalaciones modernizadas podrán albergar experimentos avanzados en campos como la física nuclear y la astrofísica nuclear .

Configuraciones experimentales

ISOLDE contiene instalaciones experimentales temporales y fijas. Las instalaciones temporales de la instalación ISOLDE están allí por períodos más cortos y generalmente se centran en detectar modos específicos de desintegración de núcleos. Las instalaciones experimentales fijas tienen una posición permanente en la instalación. Incluyen:

COLAPSOS

Experimento COLLAPS y líneas de haz de espectroscopia en las instalaciones ISOLDE del CERN

El experimento COLLAPS ( CO Linear LA ser SP ectro S copy) ha estado funcionando en ISOLDE desde fines de la década de 1970 y es el experimento activo más antiguo en la instalación. [67] [68] COLLAPS estudia las propiedades del estado fundamental e isomérico de núcleos altamente inestables ( exóticos ) de vida corta, incluidas las mediciones de sus espines , momentos electromagnéticos y radios de carga . [69] El experimento utiliza la técnica de espectroscopia colineal utilizando láseres para acceder a las transiciones atómicas necesarias . [68]

CRIS

El experimento de espectroscopia de ionización por resonancia colineal ( CRIS ) utiliza espectroscopia láser colineal de haz rápido junto con la técnica de ionización por resonancia para producir resultados con una alta resolución y eficiencia. El experimento estudia las propiedades de los estados de grupo de núcleos exóticos y produce haces isoméricos que se utilizan para estudios de desintegración. [70]

EC-SLI

El experimento EC-SLI en ISOLDE

El experimento de canalización de emisión con isótopos de vida corta ( EC -SLI) utiliza el método de canalización de emisión para estudiar las ubicaciones reticulares de los dopantes y las impurezas en cristales y películas delgadas epitaxiales . Esto se hace introduciendo sondas de isótopos de vida corta en el cristal y midiendo la intensidad de los electrones afectados para determinar si han sido afectados por las partículas de desintegración emitidas. [71] [72]

Identificación

El experimento I SOLDE Decay Station (IDS) es una configuración que permite acoplar diferentes sistemas experimentales a la estación, utilizando técnicas de espectroscopia como la temporización rápida o el tiempo de vuelo (ToF). [73] [74] La estación, operativa desde 2014, se utiliza para medir las propiedades de desintegración de una amplia gama de isótopos radiactivos para una variedad de aplicaciones. [75] [76] Los resultados del IDS han sido útiles para la astrofísica, ya que midieron la probabilidad de una desintegración particular observada en estrellas gigantes rojas . [77] [78]

Estación Espacial Internacional

Imán ex-MRI utilizado para el experimento de la ISS

El experimento del Espectrómetro Solenoide (ISS) de I SOLDE utiliza un imán de resonancia magnética para dirigir las RIB hacia un objetivo luminoso. Las condiciones producidas por esta reacción replican las presentes en los procesos astrofísicos, y la medición de las propiedades de los núcleos atómicos también proporcionará una mejor comprensión de las interacciones nucleón-nucleón en núcleos exóticos. [79] [80] El experimento se puso en servicio en 2021 y terminó su construcción durante el Long Shutdown 2. [ 80]

Trampa de aislamiento

El experimento ISOLTRAP es un espectrómetro de masas de alta precisión que utiliza la técnica de detección ToF para medir la masa. [81] Desde el inicio de su funcionamiento, ISOLTRAP ha medido la masa de cientos de núcleos radiactivos de vida corta, además de confirmar la existencia de isótopos doblemente mágicos . [82] [83] La configuración se actualizó en 2011 para incluir un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo de reflexión múltiple (MR-ToF), lo que permite la detección de isótopos más exóticos. [84]

LUCRECIA

LUCRECIA - el espectrómetro de absorción total (TAS) de ISOLDE

El experimento LUCRECIA se basa en un espectrómetro de absorción total de rayos gamma (TAS), que mide las transiciones gamma en un núcleo parental inestable. [85] A partir de estas mediciones, se analiza la estructura nuclear y se utiliza para confirmar modelos teóricos y hacer predicciones estelares . [86]

Mini pelota

El experimento Miniball es un sistema de espectroscopia de rayos gamma que consta de un conjunto de detectores de germanio de alta resolución. El experimento se utiliza para analizar las desintegraciones de núcleos de vida corta que participan en las reacciones de excitación y transferencia de Coulomb. [87] Los resultados del experimento Miniball en ISOLDE, que encontraron evidencia de núcleos pesados ​​con forma de pera, fueron nombrados por el Instituto de Física (IoP) como uno de los "10 principales avances en física". [88]

MILAGROS

Espejos MR-ToF del experimento MIRACLS

El experimento MIRACLS ( Multi Ion Reflection Apparatus for Col Linear Spectroscopy ) determina las propiedades de radioisótopos exóticos midiendo su estructura hiperfina . [89] MIRACLS utiliza un espectrómetro láser en haces de iones atrapados en un MR-ToF, para aumentar la trayectoria de vuelo de los iones. [90] Actualmente, el experimento se está diseñando y construyendo. [91]

SEGUNDO

El experimento de la Cámara de Experimentos de Dispersión (SEC) facilita experimentos de reacción diversificados y es complementario a la ISS y Miniball, debido a que la SEC no detecta radiación gamma . [92] La estación se utiliza para estudiar resonancias de baja altitud en núcleos atómicos ligeros a través de reacciones de transferencia. [93]

VITO

La zona de la línea de luz VITO en las instalaciones de ISOLDE

El experimento VITO (Versatile Ion Polarisation Technique Online) es una línea de luz que se utiliza para investigar la interacción débil y determinar las propiedades de los núcleos inestables de vida corta. El experimento utiliza la técnica de bombeo óptico para producir RIB polarizados por láser, lo que permite realizar estudios versátiles. [94] Hay tres estudios independientes en la línea de luz VITO, incluida una estación de espectroscopia de RMN β . [95]

Sabia

El experimento WISArD (Estudios de interacción débil con desintegración de 32 Ar ) investiga la interacción débil para buscar física más allá del Modelo estándar (SM). [96] [97] La ​​configuración WISArD reutiliza parte de la infraestructura del experimento WITCH , así como su imán superconductor. [98] [97] El experimento mide la correlación angular entre partículas emitidas por un núcleo padre e hija para calcular contribuciones no pertenecientes al SM. [97]

Laboratorio de física del estado sólido

Anexo a ISOLDE en el edificio 508, se encuentra el laboratorio de física del estado sólido del CERN. [99] La investigación en física del estado sólido (SSP) representa entre el 10 y el 15% de la asignación anual de tiempo de haz y utiliza alrededor del 20 al 25% del número total de experimentos que se realizan en ISOLDE. [100] El laboratorio utiliza la técnica de correlación angular perturbada diferencial de tiempo (TDPAC) para investigar la gran cantidad de elementos radiactivos disponibles proporcionados por ISOLDE. [101] Esta técnica también se ha utilizado para medir las propiedades ferromagnéticas y ferroeléctricas de los materiales, así como para proporcionar haces de iones para otras instalaciones dentro de ISOLDE. [102] Los métodos adicionales utilizados para SSP son la difusión de trazadores , la espectroscopia Mössbauer en línea ( 57 Mn) y la fotoluminiscencia con núcleos radiactivos. [103]

Instalaciones de líneas de luz

El proyecto HIE-ISOLDE introdujo una red de líneas de luz de transferencia de haz de alta energía (HEBT) en las instalaciones de ISOLDE. [104] La línea de luz de sección común, XT00, se une a tres líneas de luz de curvatura (XT01, XT02, XT03) que conducen a diferentes configuraciones de experimentos. Las tres líneas de luz idénticas son independientes entre sí, por ejemplo, si el primer imán dipolar XT01 está apagado, el haz continuará hacia XT02 y XT03. [105] Todas ellas curvan el haz 90 grados y lo enfocan utilizando dos imanes dipolares y un doblete-cuadrupolo. [106] La línea de luz XT01 conduce a Miniball, la línea de luz XT02 conduce a la ISS y la línea de luz XT03 conduce a configuraciones móviles, como la cámara de dispersión SEC. [107] [108] [109] [106]

ISOLDE sin conexión 2

Recientemente se instaló Offline 2 como línea de luz separadora de masa en ISOLDE, con el propósito de satisfacer las mayores demandas de la instalación fuera de línea original, Offline 1. [110] La instalación incluye la línea de luz encerrada en una jaula de Faraday, así como un laboratorio láser y una estación de control. [111] La instalación fuera de línea está diseñada para estudios de prueba de objetivos y se actualizó para incluir potencial para la producción y el estudio de haces de iones moleculares. [112] [113]

Resultados y descubrimientos

A continuación se muestra la lista de algunas actividades de física realizadas en las instalaciones de ISOLDE. [114] [115]

La instalación ISOLDE desarrolla continuamente el diagrama nuclear y fue la primera en estudiar la evolución estructural en largas cadenas de gases nobles, elementos alcalinos e isótopos de mercurio.

El experimento ISOLTRAP permite realizar mediciones de masas nucleares de alta precisión mediante una serie de trampas de Penning. [116] El experimento ha sido capaz de medir isótopos con vidas medias muy cortas (<100 ms) con una precisión inferior a 10 −8 . [117] [118] Por su trabajo sobre "contribuciones clave a las masas..." de los isótopos en ISOLTRAP, entre otros trabajos, Heinz-Jürgen Kluge recibió el Premio Lise Meitner en 2006. [119] [120] [121]

Los núcleos atómicos suelen ser esféricos, pero pueden producirse cambios graduales en la forma nuclear cuando cambia el número de neutrones de un elemento determinado. Una investigación publicada en 1971 demostró que si se añaden o eliminan neutrones individuales de los núcleos de los isótopos de mercurio, la forma cambiará a la de una "pelota de rugby". [122] Estudios más recientes, de RILIS, muestran que este escalonamiento de la forma también se produce con los isótopos de bismuto. [123] [124]

La isla de inversión es una región del mapa de nucleidos en la que los isótopos tienen una estabilidad mejorada, en comparación con los núcleos inestables circundantes. La isla está asociada con los números mágicos de neutrones ( N = 8, 14, 20, 28, 50, 82, 126), donde se produce esta ruptura. Varios experimentos en ISOLDE han determinado las propiedades de estos isótopos de la isla de inversión, incluida la primera medición de su tipo realizada con Miniball en magnesio-32, que se encuentra en la isla de inversión en N = 20. [125] [126] Además, el experimento ISOLTRAP proporcionó resultados utilizando calcio-52 para revelar un nuevo número mágico potencial, 32, que luego fue refutado por el experimento CRIS. [127] [128]

Un isómero nuclear es un estado metaestable de un núcleo, en el que uno o más nucleones ocupan niveles de energía más altos que en el estado fundamental del mismo núcleo. A mediados de la década de 2000, REX-ISOLDE desarrolló una técnica para seleccionar y posacelerar haces isoméricos para utilizarlos en experimentos de desintegración nuclear, como en Miniball. [129] [130]

La primera observación de emisión de dos neutrones con retardo beta se realizó en ISOLDE en 1979, utilizando el isótopo litio-11. [131] La emisión con retardo beta ocurre para isótopos más alejados de la línea de estabilidad e implica la emisión de partículas después de la desintegración beta. [132] Se han propuesto estudios más nuevos para investigar la emisión de múltiples partículas con retardo beta de litio-11 utilizando el IDS. [133]

La línea de goteo nuclear es el límite más allá del cual la adición de nucleones a un núcleo dará como resultado la desintegración inmediata de un nucleón (el nucleón ha "goteado" fuera del núcleo). [134] Las RIB aceleradas de REX-ISOLDE se utilizan en reacciones de transferencia que permiten estudios de sistemas de resonancia nuclear más allá de la línea de goteo. [135]

Algunos núcleos ligeros cercanos a la línea de goteo pueden tener una estructura de halo de neutrones, debido a la tunelización de neutrones débilmente unidos fuera del núcleo. [136] Esta prueba de la estructura de halo se realizó en ISOLDE a partir de una serie de experimentos que analizaron el núcleo de litio-11. [137]

Las investigaciones realizadas con el experimento Miniball encontraron evidencia de núcleos pesados ​​con forma de pera, en particular radón-220 y radio-224. [88] Estos resultados fueron nombrados en el Instituto de Física (IoP) como uno de los "10 principales avances en física" en 2013, y aparecieron en la portada de Nature 2013. [138] [139] En 2020, debido a la actualización de HIE-ISOLDE, también se descubrió que el radio-222 tiene una "forma de pera estable". [140] [141] Se realizó espectroscopia láser en una molécula radiactiva de vida corta, que contiene radio, cuyos estudios posteriores podrían revelar física más allá del Modelo Estándar debido a la ruptura de la simetría por inversión temporal. [142]

Mejoras y trabajos futuros

A continuación se presenta una lista de mejoras necesarias para la instalación ISOLDE, considerando objetivos tanto a mediano como a largo plazo. [143] Algunas de estas mejoras han sido propuestas por el proyecto EPIC. [144]

A mediano plazo

A largo plazo

Véase también

Enlaces externos

Lectura adicional

Referencias

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46°14′03″N 6°02′52″E / 46.23417, -6.04778