A 8 Li 7 Li + n Coulomb-disszociációs magreakció kísérleti vizsgálata

Hasonló dokumentumok
OTKA tematikus pályázat beszámolója. Neutronban gazdag egzotikus könnyű atommagok reakcióinak vizsgálata

Az asztrofizikai p-folyamat kísérleti vizsgálata befogási reakciókban

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Methods to measure low cross sections for nuclear astrophysics

Zárójelentés az OTKA T számú Neutron-gazdag atommagok Coulomb-felbomlási folyamatai dinamikájának vizsgálata című pályázatról

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

ODE SOLVER-ek használata a MATLAB-ban

alapvető tulajdonságai

Protonindukált reakciók és az asztrofizikai p folyamat

Abszolút és relatív aktivitás mérése

A 8 Li 7 Li + n Coulomb-disszociációs magreakció kísérleti vizsgálata

Magspektroszkópiai gyakorlatok

Modern fizika laboratórium

Rádl Attila december 11. Rádl Attila Spalláció december / 21

Detektorfejlesztés a késő neutron kibocsájtás jelenségének szisztematikus vizsgálatához. Kiss Gábor MTA Atomki és RIKEN Nishina Center


A sötét anyag nyomában. Krasznahorkay Attila MTA Atomki, Debrecen

Óriásrezonanciák vizsgálata és neutronbőr-vastagság mérések a FAIR gyorsítónál

Gyors neutronok detektálási technikái

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

Milyen eszközökkel figyelhetők meg a világ legkisebb alkotórészei?

Szilárd Leó Fizikaverseny Számítógépes feladat

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 23. MRF2 Kvarkok, neutrínók

Jegyzet. Kémia, BMEVEAAAMM1 Műszaki menedzser hallgatók számára Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár Dr Madarász János, egyetemi docens.

A tau lepton felfedezése

Theory hungarian (Hungary)

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Gamma-röntgen spektrométer és eljárás kifejlesztése anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű elemzésére

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

Z bozonok az LHC nehézion programjában

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék

Deme Sándor MTA EK. 40. Sugárvédelmi Továbbképző Tanfolyam Hajdúszoboszló, április

A Standard modellen túli Higgs-bozonok keresése

Neutrinódetektorok és részecske-asztrofizikai alkalmazásaik

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 24. MRF2 Kvarkok, neutrínók

Az LHC TOTEM kísérlete

40 MeV-es 8 Li részecskék pályakövetési eljárásának fejlesztése elektromágneses szétesést vizsgáló kísérletben

Részecskefizika kérdések

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Pályarekonstrukciós eljárások optimalizálása a Samurai Detektorrendszer driftkamra detektoraiban OTDK Dolgozat

2. tétel - Gyorsítók és nyalábok (x target, ütköz nyalábok, e, p, nyalábok).

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

Készítette: NÁDOR JUDIT. Témavezető: Dr. HOMONNAY ZOLTÁN. ELTE TTK, Analitikai Kémia Tanszék 2010

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

A Lederman-Steinberger-Schwartz-f ele k et neutrn o ks erlet

Atomenergetikai alapismeretek

Maghasadás (fisszió)

Asztrofizikai jelentőségű befogási reakciók kísérleti vizsgálata. Válasz Kiss Ádám opponensi véleményében feltett kérdéseire

Modern fizika laboratórium

Neutron Aktivációs Analitika

NEUTRON-DETEKTOROK VIZSGÁLATA. Mérési útmutató BME NTI 1997

PROMPT- ÉS KÉSŐ-GAMMA NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS A GEOKÉMIÁBAN I. rész

Általánosan, bármilyen mérés annyit jelent, mint meghatározni, hányszor van meg

Indul az LHC: a kísérletek

Atommagok alapvető tulajdonságai

Radioaktivitás és mikrorészecskék felfedezése

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Detektorok. Fodor Zoltán MTA-KFKI Részecske és Magfizikai Kutató Intézete. Hungarian Teachers Programme 2010 CERN

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Határtalan neutrínók

Bevezetés a részecske fizikába

Detektorok. Fodor Zoltán. MTA Wigner FK RMI. Hungarian Teachers Programme 2012

Nukleáris adatok felhasználása A nukleáris adatok mérésének módszerei és nehézségei

RADIOKÉMIAI MÉRÉS Laboratóriumi neutronforrásban aktivált-anyagok felezési idejének mérése

A gamma-sugárzás kölcsönhatásai

Modern Fizika Labor. 21. PET (Pozitron Annihiláció vizsgálata) Fizika BSc. A mérés száma és címe: A mérés dátuma: nov. 15.

Általános Kémia, BMEVESAA101 Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár. Az anyag Készítette: Dr. Csonka Gábor egyetemi tanár,

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Monte Carlo módszerek fejlesztése reaktorfizikai szimulációkhoz

Kozmikus záporok és észlelésük középiskolákban

Innovatív gáztöltésű részecskedetektorok

A Mössbauer-effektus vizsgálata

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Gamma-röntgen spektrométer és eljárás kifejlesztése anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű elemzésére

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

Detektorok. Fodor Zoltán. Wigner fizikai Kutatóközpont. Hungarian Teachers Programme 2015

Atommodellek. Az atom szerkezete. Atommodellek. Atommodellek. Atommodellek, A Rutherford-kísérlet. Atommodellek

Sükösd Csaba egyetemi docens, és Jarosievitz Beáta főiskolai tanár

Megmérjük a láthatatlant

Első magreakciók. Targetmag

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

3. GAMMA-SUGÁRZÁS ENERGIÁJÁNAK MÉRÉSE GAMMA-SPEKTROMETRIAI MÓDSZERREL

Rugalmas állandók mérése

Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai

Hidrogénfúziós reakciók csillagokban

Országos Szilárd Leó fizikaverseny II. forduló április 20. Számítógépes feladat. Feladatok

Anyagvizsgálati módszerek Mérési adatok feldolgozása. Anyagvizsgálati módszerek

Töltött részecske multiplicitás analízise 14 TeV-es p+p ütközésekben

Általános Kémia, BMEVESAA101

Első magreakciók. Exoterm (exoerg) és endoterm (endoerg) magreakciók. Coulomb-gát küszöbenergia

FIZIKA. Atommag fizika

Paritássértés FIZIKA BSC III. MAG- ÉS RÉSZECSKEFIZIKA SZEMINÁRIUM PARITÁSSÉRTÉS 1

Pósfay Péter. ELTE, Wigner FK Témavezetők: Jakovác Antal, Barnaföldi Gergely G.

Hévíz és környékének megemelkedett természetes radioaktivitás vizsgálata

Technikai követelmények:

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

Átírás:

A 8 Li 7 Li + n Coulomb-disszociációs magreakció kísérleti vizsgálata doktori értekezés tézisei Izsák Rudolf Fizika Doktori Iskola vezetője: Dr. Palla László, DSc egyetemi tanár Részecskefizika és csillagászat program vezetője: Dr. Csikor Ferenc, DSc egyetemi tanár témavezető: Dr. Horváth Ákos, PhD egyetemi docens Atomfizikai Tanszék Eötvös Loránd Tudományegyetem Budapest, 2014. január

2 Bevezetés A dolgozat a 8 Li 7 Li + n Coulomb-disszociációs vagy Coulomb-felhasadásos magreakció kísérleti vizsgálatának eredményeit mutatja be és elemzi. A kísérletet az Amerikai Egyesült Államokban lévő National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) intézet Coupled Cyclotron Facility gyorsítójával végeztük el. A vizsgált magreakció az asztrofizikában szerepet játszó 7 Li+n 8 Li neutronbefogásos magreakció inverz folyamata. Az r-folyamatokban szereplő rövid élettartamú radioaktív atommagok neutron-befogási hatáskeresztmetszetét megfelelő céltárgy híján direkt módszerrel lehetetlen laboratóriumban megmérni, csupán a befogási magreakció időtükrözött vagy más néven inverz folyamatát, amelyből elméleti úton lehet következtetni a befogási hatáskeresztmetszetére. A 7 Li(n,γ) 8 Li folyamatot és az idő-tükrözöttjét a kvantummechanikai σ(γ,n) = 2µE d ħ 2 ħ 2 c 2 E 2 γ (2j7 Li + 1)(2j n + 1) σ(n,γ), (1) (2j8 Li + 1)2 részletes egyensúly elve kapcsolja össze, ahol E d a (γ,n) foto-disszociáció bomlási energiája, egyúttal a tömegközépponti energia a neutron befogásakor, E γ = E d +S n a fotonenergia, µ = m n m 7Li m n +m 7Li a 7 Li+n rendszer redukált tömege, j7 Li, j8 Li és j n pedig a résztvevő atommagok spinjei. A 8 Li 7 Li + n Coulomb-felhasadási folyamat dσ Cb /de γ gerjesztési függvényét megmérve az (1) formula segítségével következtethetünk a 7 Li neutron-befogási hatáskeresztmetszetére. A 7 Li neutron-befogási hatáskeresztmetszetét direkt módszerekkel is sikerült már megmérni, lefedve az asztrofizikailag fontos teljes neutronenergia tartományt. A kísérleti kiértékelés legfontosabb célja éppen az volt, hogy ellenőrizzük azt az eljárást, ahogyan az asztrofizikai befogási folyamatok hatáskeresztmetszetét a Coulomb-felhasadási inverz folyamat méréséből szokásosan származtatják, alátámasztva ezzel a módszer jövőbeli alkalmazását. A kísérletünkben használt mérőrendszert az 1. ábra szemlélteti [1]. Az A1900

3 1. ábra. A mérőrendszer vázlata. A részecskeszeparátorból balról beérkező 69,5 MeV/u energiájú 8 Li atommagok a céltárgyban felhasadhatnak. A 7 Li és neutron fragmentumokat a seprőmágnes különíti el egymástól, és két specifikus mérőberendezés detektálja. nevű részecskeszeparátorból érkező 69,5 MeV/u energiájú 8 Li atommagok az ólom (vagy szén) céltárgyba ütköznek, miután keresztülhaladtak két CRDC (Cathode Readout Drift Chamber) detektoron és a kvadrupól mágnes fókuszálja őket. Közvetlenül a céltárgy előtt található még egy vékony plasztik szcintillációs detektor, amely egy közös stop jelet ad a repülési idő méréséhez és regisztrálja a bejövő részecskék számát. A céltárgyon keletkező fragmentumot vagy más töltött részecskéket a seprőmágnes eltéríti, az esetlegesen keletkező neutronok pedig zavartalanul továbbrepülnek a MoNA (Modular Neutron Array) nevű neutrondetektor irányába. A megfelelő impulzus töltés aránnyal rendelkező fragmentumok a mágneses eltérítés után a fragmentum detektor-rendszerbe jutnak, amely megméri repülési irányukat és azonosítja őket. A munka célkitűzései Mérésünk legfőbb célja a 8 Li 7 Li + n bomlási folyamat gerjesztési függvényének meghatározása, az ehhez kapcsolódó kísérleti kiértékelés elsődleges feladata pedig a 8 Li 7 Li+n bomlási események teljes kinematikai rekonstrukciója, azaz a bejövő 8 Li és a céltárgyban keletkező 7 Li és n részecskék impulzusainak meghatározása közvetlenül a magreakció előtt, illetve után. A 8 Li, 7 Li és n részecskék megmért impulzusaiból ki kell számítanunk a magreakció impakt paraméterét, illetve a magreakcióban fellépő bomlási energi-

4 át. A detektorrendszer és a reakciómechanizmus Monte Carlo szimulációjával az egyes detektorok mérési hatásfokának meghatározása után meg kell becsülnünk a mérés hatásfokát és szisztematikus hibáját, amely a Coulomb-felhasadás bomlási energiájának függvénye. A bomlási energiák gyakoriság-eloszlásából a mérőberendezés hatásfokának ismeretében ki kell számítanunk a bomlási folyamat gerjesztési függvényét, és abból szén céltárgyakon végzett mérési adatok segítségével le kell vonnunk a nukleáris járulékot. A Coulomb-felhasadás így megmért gerjesztési függvényéből az (1) egyenlettel leírt részletes egyensúly elvének, illetve a virtuális foton elmélet eredményeinek felhasználásával származtathatjuk a 7 Li neutron-befogási hatáskeresztmetszetét, melyet értelmeznünk kell az irodalomban fellelhető direkt mérési eredmények tükrében. Alkalmazott módszerek A mérés közben rögzített, összesen 40 GB terjedelmű bináris adatfájlt C++, Perl és SQL nyelveken írt számítógépes programokkal dolgoztam fel. A 8 Li, 7 Li és n részecskék impulzusainak meghatározása a komplex detektorrendszer elemeinek pontos kalibrációját igényelte. Ki kellett dolgoznom továbbá egy eljárást a 7 Li fragmentumok céltárgyi impulzusának meghatározására a mágneses eltérítés után megmért koordinátákból, ami a seprőmágnes terének pontos feltérképezését és a részecskepályák eseményenkénti nyomon követését tette szükségessé. A 7 Li fragmentum impulzusát a röppálya mágnesbeli rekonstrukciójával számoltam ki, ehhez adaptív differenciálegyenlet megoldó programot és iterációt alkalmaztam. A seprőmágnes mágneses terének térképét mérési adatok alapján háromszögelési technikával, a hiányzó peremteret pedig Enge-függvények segítségével extrapoláltam. A mérési hatásfokban domináns geometriai átfogóképességet a detektorrendszer és a magreakció Monte Carlo szimulációjával határoztam meg. Végül a Coulomb-felhasadás gerjesztési függvényére vonatkozó mérési eredményünkből a részletes egyensúly elvének, illetve a virtuális foton elmélet eredményeinek felhasználásával rekonstruáltam a 7 Li atommag neutron-befogási hatáskeresztmetszetét a neutron energiájának függvényében.

5 Tézisek 1. A 8 Li 7 Li + n bomlási folyamat gerjesztési függvényének meghatározása 69,5 MeV/nukleon nyalábenergián [1,2] Meghatároztam a 8 Li 7 Li + n folyamat bomlási energiáját (lásd a 2. ábrán) a töltött részecskék impulzusának rekonstrukciójához készített új módszerrel, mely a fragmentumok mágneses téren történő áthaladásának pontos, eseményenkénti követésén alapult. 1,15 ns FWHM pontosságra redukáltam a 288 detektorból álló komplex neutrondetektor-rendszer globális időfelbontását a neutronok repülési idő technikával megmért impulzusának pontosabb rekonstrukciójához, ahol az idő-kalibráció kozmikus müonok, radioaktív források és prompt gammanyalábok adatainak újszerű, együttes figyelembevételével történt. Meghatároztam a 8 Li nyalábrészecskék impakt paraméterének eloszlását a felhasadási eseményekben. Megbecsültem a nukleáris események járulékát a Coulomb-felhasadáshoz a gerjesztési függvényben, mely a szén céltárgyon végzett mérés adatainak alapján (lásd a 2. ábrán) 3 5% közöttinek adódott, összhangban a nukleáris felhasadási komponens felhasadási folyamatoknál tapasztalható korábban publikált arányával. 2. A neutron-befogási hatáskeresztmetszet meghatározása 30 kev 1 MeV neutronenergia tartományban inverz reakció módszerével [2] A Coulomb-felhasadás megmért dσ Cb /de γ gerjesztési függvényéből meghatároztam a 7 Li atommag neutron-befogási hatáskeresztmetszetét (lásd a 3. ábrán). A szakirodalomban elsőként alkalmaztam az inverz reakció módszerét s- hullámú neutronok befogási hatáskeresztmetszetének meghatározására és vetettem össze az elméletileg származtatott eredményt a kísérleti eredményekkel.

6 200 180 ólom szén 10 160 dσ/de d [mbarn/mev] 140 120 100 80 60 40 20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 E d [MeV] 2. ábra. A 69,5 MeV/u energiájú 8 Li atommagok felhasadásának dσ Cb /de d gerjesztési függvénye szén és ólom céltárgyakon. A szén céltárgy esetében a könnyebb követhetőség kedvéért az ábrán a hatáskeresztmetszet értékének tízszerese szerepel. Eredményeimet a szakirodalmi kísérleti neutron-befogási eredményekkel összevetve megállapítottam, hogy az Coulomb-disszociációs inverz módszer sikerrel alkalmazható r-folyamatbeli rövid élettartamú izotópok neutron-befogási hatáskeresztmetszetének meghatározására. 3. A neutron-befogási hatáskeresztmetszet energiafüggésének meghatározása [2] Kísérleti eredményeim alapján megállapítottam, hogy a neutron-befogási hatáskeresztmetszet a 300 kev feletti neutronenergia-tartományon az elméleti modellek jóslataival egybehangzóan eltér az 1/v törvénytől. Meghatároztam és az eddig elért legnagyobb neutron energiákig paramétereztem a befogási hatáskeresztmetszet eltérését az 1/v törvénytől. Meghatároztam a 7 Li atommag 1/v törvényt követő alacsony energiás neutron-befogási hatáskeresztmetszetének s 0 = (6,2 ± 0,3) 10 3 b(ev) 1/2 e- gyütthatóját, mely pontosan egyezik a direkt folyamat eredményeivel.

7 3. ábra. A mérési adatainkból származtatott σ E1 (n,γ) neutron-befogási hatáskeresztmetszet a tömegközépponti energia függvényében (teli korongok). Az eredmények összehasonlíthatók korábbi a neutron-befogási direkt folyamat korábbi mérési eredményeivel: Imhof (üres korongok), Nagai (teli háromszögek, illetve üres négyzetek), Heil (teli négyzetek). A folytonos vonal az 1/v törvény szerinti hatáskeresztmetszet függést mutatja, ami Blackmon alacsony energiás mérési eredményeihez illeszkedik [2]. Következtetések A 3. ábra alapján megállapítható, hogy a saját és a korábban publikált mérési eredmények jól egyeznek: eredményünk a 254 kev-nál található rezonancia felett 10% pontossággal egybevág Imhof és munkatársainak mérési eredményeivel (üres korongok). A dolgozatban bemutatott kísérleti kiértékelés legfőbb eredménye a 7 Li atommag σ E1 (n,γ)(e n ) = s 0 (1+ s 1 E n + s 2 E n 2 )/E 1/2 n képlettel paraméterezhető neutron-befogási hatáskeresztmetszetében az alacsony energiákon releváns s 0 paraméter meghatározása, melynek laborrendszerbe transzformált (6,2 ± 0,3) 10 3 b(ev) 1/2 értéke jól egyezik a direkt neutron-befogási hatáskeresztmetszetre vonatkozó (6,3 ± 0,3) 10 3 b(ev) 1/2 legfrissebb kísérleti eredménnyel, melyet Blackmon és munkatársai publikáltak [2]. Eredményeink egyik sajátossága, hogy (számos elméleti modellel egybehangzóan) a kapott σ E1 (n,γ)(e n ) neutron-befogási hatáskeresztmetszet alakja 200 kev felett eltér az s-hullámú neutronok jól ismert 1/v alakú energia-függésétől [2].

8 Irodalomjegyzék [1] Á. HORVÁTH, K. IEKI, Á. KISS, A. GALONSKY, M. THOENNESSEN, T. BAU- MANN, D. BAZIN, C.A. BERTULANI, C. BORDEANU, N. CARLIN, M. CSANÁD, F. DEÁK, P. DEYOUNG, N. FRANK, T. FUKUCHI, ZS. FÜLÖP, A. GADE, D. GALA- VIZ, C. HOFFMAN, R. IZSÁK, W.A. PETERS, H. SCHELIN, A. SCHILLER, R. SUGO, Z. SERES, AND G.I. VERES: Can the neutron-capture cross sections be measured with Coulomb dissociation?, Eur. Phys. J. A, 27, (2006), 217-220. [2] R. IZSÁK, Á. HORVÁTH, Á. KISS, Z. SERES, A. GALONSKY, C.A. BERTULANI, ZS. FÜLÖP, T. BAUMANN, D. BAZIN, K. IEKI, C. BORDEANU, N. CARLIN, M. CSA- NÁD, F. DEÁK, P. DEYOUNG, N. FRANK, T. FUKUCHI, A. GADE, D. GALAVIZ, C. HOFFMAN, W.A. PETERS, H. SCHELIN, M. THOENNESSEN, AND G.I. VERES: Determining the 7 Li(n,γ) cross section via Coulomb dissociation of 8 Li, Phys. Rev. C, 88, (2013), 065808. Egyéb közlemények G. SZABÓ, A. SZOLNOKI, R. IZSÁK: Rock-scissors-paper game on regular small-world networks, J. Phys. A: Math. Gen., 37, (2004), 2599-2609. R. IZSÁK: Maximum likelihood fitting of the Poisson lognormal distribution, Environ. Ecol. Stat., 15, (2008), 143-156. Konferencia előadások IZSÁK R.: A 8 Li Coulomb-felhasadása, XIII. Magfizikus Találkozó, Jávorkút, 2006. május 5-7. R. IZSÁK: How can MoNA identify the neutrons?, Sixth Summer School on Exotic Beam Physics, National Superconducting Cyclotron Laboratory, USA, 6 11 th August, 2007. R. IZSÁK, Á. HORVÁTH, Á. KISS, Z. SERES, A. GALONSKY et al.: Experimental check of Coulomb dissociation method for neutron capture measurements, Open questions and future directions in heavy element nucleosynthesis, Atomki Debrecen, 2013. április 11. R. IZSÁK, Á. HORVÁTH, Á. KISS et al.: Experimental comparision of 7 Li neutron capture to 8 Li Coulomb breakup at 70 MeV/nucleon, Zimányi School 2013, Wigner RMI - ELTE TTK, Budapest, 2013. december 5.