Este texto recoge el trabajo de análisis, obtención de resultados e interpretación de la información obtenida en dos experimentos realizados en GANIL (2005) e ISOLDE (2007). Los dos experimentos hacen uso de la detección de partículas cargadas emitidas tras la desintegración beta como herramienta de gran sensibilidad para determinar la estructura del núcleo hijo y las propiedades de los estados involucrados en el proceso de emisión. La utilización de diversas técnicas de detección y de análisis ha permitido obtener una gran cantidad de información a partir de los procesos estudiados.
En julio de 2005 se realizó un experimento en GANIL, Francia, en el que se
estudiaron los isótopos ligeros de Argón, 32Ar y 33Ar. El objetivo principal del
nuevo estudio se centraba en la detección en coincidencia de las emisiones de protones y de la radiación para obtener un esquema completo de desintegración y poder obtener la distribución de intensidad beta Gamow-Teller en un amplio rango energético. Para ello se utilizó el dispositivo experimental Silicon Cube, que combina una alta granularidad con una gran cobertura angular, junto con tres detectores de Germanio de alta pureza tipo CLOVER de 4 cristales. En octubre de 2007, se realizó el estudio de la desintegración del último isótopo deficiente en neutrones de Neón ligado, 17Ne, en ISOLDE (CERN), Suiza. El principal objetivo del experimento era emplear la Silicon Ball de ISOLDE para separar los diferentes canales de desintegración utilizando la técnica de Tiempo de Vuelo y aplicar, por primera vez, la técnica de análisis de Matriz R para analizar de forma global los espectros de emisión de partículas cargadas del 17F para obtener información acerca de los niveles involucrados en la desintegración.
Índice General
1 Introducción
1.1 Desintegración β
1.1.1 Teoría de Fermi de la desintegración β
1.1.2 Desintegraciones Permitidas
1.1.3 Distribución de intensidad β Gamow-Teller B(GT)
1.1.4 Desintegraciones Prohibidas
1.2 Emisión de partículas tras la desintegrción β: Interés físico
1.2.1 Emisión de partículas
1.2.2 Espectros de emisión de partículas cargadas
1.2.3 Resultados espectroscópicos
1.3 Matriz R
1.3.1 Matriz R multicanal y multinivel
1.3.2 Cálculo de la distribución de partículas en la desintegración β
1.3.3 Definición de canal en la emisión de partículas tras la desintegración β
1.3.4 Interferencias
2 Instalaciones y sistemas de medida
2.1 CERN
2.1.1 Proton Synchroton Booster (PSB)
2.1.2 Proton Synchroton (PS)
2.1.3 Super Proton Synchroton (SPS)
2.1.4 Large Hadron Collider (LHC)
2.1.5 ISOLDE
2.1.6 REX-ISOLDE
2.1.7 HIE-ISOLDE
2.1.8 Blancos y fuentes de iones
2.2 GANIL
2.2.1 SPIRAL-I
2.2.2 SPIRAL-2
2.2.3 EXOGAM
2.3 Detectores
2.3.1 Detectores de Silicio de partículas cargadas
2.3.2 Centelleadores
2.3.3 Detectores de Germanio
2.4 Montajes experimentales
2.4.1 Silicon Ball
2.4.2 Silicon Cube
3 Geometría, calibración y electrónica
3.1 Silicon Ball: Geometría y calibración
3.1.1 Geometría
3.1.2 Calibración
3.1.3 Reconstrucción en energía
3.1.4 Construcción de los espectros finales
3.2 Silicon Cube: Geometría y calibración
3.2.1 Geometría: Ordenación de las bandas
3.2.2 Geometría: Cálculo de la posición de la fuente
3.2.3 Calibración de los detectores de partículas cargadas
3.2.4 Consideraciones adicionales
3.2.5 Calibración en energía de los detectores γ
3.2.6 Calibración en eficiencia a bajas energías de los detectores γ
3.2.7 Construcción de los espectros finales
3.3 Electrónica
3.3.1 Electrónica: Experimento en ISOLDE
3.3.2 Electrónica: Experimento en GANIL
3.4 Lógica de Trigger
3.4.1 Lógica de Trigger: Experimento de ISOLDE
3.4.2 Lógica de Trigger: Experimento de GANIL
4 Análisis 17Ne
4.1 Experimento
4.2 Motivación Física
4.3 17Ne: Conocimiento previo
4.4 Desintegración β del 17Ne
4.5 Estimación de la vida media de la desintegración
4.6 Selección por Tiempo de Vuelo
4.7 Telescopio
4.8 Respuesta gaussiana del detector
4.9 Aplicación de Matriz R al espectro de protones βp
4.10 Canales de protones procedentes de estados 3/2−
4.10.1 Nivel 3/2−: 17F(4.59 MeV)
4.10.2 Nivel 3/2−: 17F(5.48 MeV)
4.10.3 Nivel 3/2−: 17F(8.07 MeV)
4.10.4 Nivel 3/2−: 17F(8.73 MeV)
4.10.5 Nivel 3/2−: 17F(9.54 MeV)
4.10.6 Nivel 3/2−: 17F(10.00 MeV)
4.11 Canales de protones procedentes de estados 1/2−
4.11.1 Nivel 1/2−: 17F(3.10 MeV)
4.11.2 Nivel 1/2−: 17F(6.05 MeV)
4.11.3 Nivel 1/2−: 17F(7.67 MeV)
4.11.4 Nivel 1/2−: 17F(8.46 MeV)
4.11.5 Nivel 1/2−: 17F(10.94 MeV)
4.11.6 Nivel 1/2−: 17F(11.21 MeV) (IAS)
4.11.7 Nivel 1/2−: 17F(11.30 MeV)
4.12 Canales de protones procedentes de niveles de espín y paridad compatibles con 1/2− y 3/2−
4.13 Resultados del ajuste del canal de protones βp
4.14 Identificación de las componentes del espectro
4.15 Aplicación de Matriz R al espectro α del canal βα
4.16 Canales de partículas α procedentes de estados 3/2−
4.16.1 Nivel 3/2−: 17F(11.8 MeV)
4.16.2 Nivel 3/2−: 17F(10.36 MeV)
4.16.3 Nivel 3/2−: 17F(10.04 MeV)
4.16.4 Nivel 3/2−: 17F(9.38 MeV)
4.16.5 Nivel 3/2−: 17F(8.03 MeV)
4.17 Canales de partículas α procedentes de estados 1/2−
4.17.1 Nivel 1/2−: 17F(11.27 MeV)
4.17.2 Nivel 1/2−: 17F(10.82 MeV)
4.17.3 Nivel 1/2−: 17F(10.63 MeV)
4.17.4 Nivel 1/2−: 17F(10.57 MeV)
4.17.5 Nivel 1/2−: 17F(8.46 MeV)
4.18 Canales de partículas α procedentes de niveles de espín y paridad compatibles con 1/2− y 3/2−
4.19 Resultados del ajuste del canal de protones βα
4.20 Aplicación de Matriz R al espectro α del canal βρα
4.21 Coincidencias p-α en el canal βρα
4.22 Cálculo de resultados finales
4.22.1 Obtención de las razones de ramificación
4.22.2 Cálculo de las anchuras totales
4.23 Discusión de los valores finales
4.23.1 Nivel 3/2−: 17F(4.59 MeV)
4.23.2 Nivel 3/2−: 17F(5.48 MeV)
4.23.3 Nivel 3/2−: 17F(8.07 MeV)
4.23.4 Nivel 3/2−: 17F(8.73 MeV)
4.23.5 Nivel 3/2−: 17F(9.54 MeV)
4.23.6 Nivel 3/2−: 17F(10.00 MeV)
4.23.7 Nivel 1/2−: 17F(3.10 MeV)
4.23.8 Nivel 1/2−: 17F(6.05 MeV)
4.23.9 Nivel 1/2−: 17F(7.67 MeV)
4.23.10 Nivel 1/2−: 17F(8.46 MeV)
4.23.11 Nivel 1/2−: 17F(10.94 MeV)
4.23.12 Nivel 1/2−: 17F(11.21 MeV)
4.23.13 Nivel 1/2−: 17F(11.30 MeV)
4.24 Cálculo de la distribución de intensidad β Gamow-Teller B(GT)
4.25 Cálculo del factor de quenching
5 Resultados 17Ne
5.1 Comparación con la información previa
5.2 Transiciones desde el IAS
5.3 Nivel a 7.67 MeV
5.4 Nivel a 8.73 MeV
5.5 Nivel a 12 MeV
5.6 Distribución de B(GT)
5.7 Energías de excitación
5.8 Esquema de niveles
6 Análisis 32,33 Ar
6.1 Experimento
6.2 Conocimiento previo de los núcleos en estudio: 33Ar y 32Ar
6.3 32Ar: Conocimiento previo
6.4 Desintegración β del 32Ar
6.5 33Ar: Conocimiento previo
6.6 Desintegración β del 33Ar
6.7 Espectro de protones
6.7.1 Procesado de los datos
6.7.2 Obtención de energías y áreas
6.8 Espectro γ
6.9 Espectro de coincidencias
6.10 Comparación entre espectros directos y en coincidencia
6.11 Cálculo de las razones de ramificación
6.11.1 Eficiencia de detección en el detector de 64 μm
6.11.2 Cálculo de la alimentación de estados fundamentales
6.11.3 Cálculo de la alimentación de los estados ligados
6.11.4 Emisión γ desde el IAS
6.12 Cálculo de la distribución de intensidad β Gamow-Teller B(GT)
6.13 Cálculo del factor de quenching
7 Resultados 32,33 Ar
7.1 Resultados: 33Ar
7.1.1 Energías de excitación
7.1.2 Transiciones desde el estado a 4.7 MeV
7.1.3 Transiciones desde el estado a 4.4 MeV
7.1.4 Transiciones desde el estado a 8.1 MeV
7.1.5 Transiciones desde el estado a 9.1 MeV
7.1.6 Transiciones desde los estados a 7.7 y 8.5 MeV
7.1.7 Emisiones de protones a 3571(2) keV y 4202(2) keV
7.1.8 Distribución B(GT)
7.1.9 Asignación de espín y paridad
7.2 Resultados: 32Ar
7.2.1 Energías de excitación
7.2.2 Asignación de espín y paridad
7.2.3 Transición desde el nivel a 2.2 MeV
7.2.4 Transiciones desde el nivel a 5.4 MeV
7.2.5 Transiciones desde el nivel a 5.7 MeV
7.2.6 Transiciones desde el nivel a 6.1 MeV
7.2.7 Transición desde el nivel a 6.3 MeV
7.2.8 Distribución B(GT)
8 Conclusiones
Objetivos y Temas
Esta investigación tiene como objetivo principal profundizar en la estructura nuclear y la desintegración β de núcleos ligeros deficientes en neutrones, específicamente 17Ne, 32Ar y 33Ar. A través de experimentos de alta precisión, se busca analizar la emisión de protones y partículas α tras la desintegración, validando modelos nucleares y explorando la naturaleza de la interacción débil y el fenómeno del factor de quenching.
- Estudio detallado de la desintegración β de núcleos exóticos (17Ne, 32Ar, 33Ar).
- Aplicación y validación del formalismo de la Matriz R en sistemas multicanal.
- Análisis de la distribución de intensidad β Gamow-Teller y su comparación con el modelo de capas.
- Investigación de las propiedades de emisión de partículas cargadas (protones y partículas α).
- Determinación experimental del factor de quenching en la interacción débil.
Auszug aus dem Buch
1.1 Desintegración β
Se conoce como desintegración β al conjunto de tres procesos. El primero, es la emisión espontánea de electrones por parte de un núcleo (denominado desintegración β−). El segundo proceso es el opuesto al anterior, es decir, la captura de un electrón por parte del núcleo desde su orbital atómico (proceso llamado captura electrónica) que fue descubierto en 1938 por L. W. Álvarez [6]. Y el tercer proceso, descubierto cuatro años antes (en 1934) por el matrimonio Joliot-Curie, es la emisión de positrones (llamado desintegración β+), tan sólo dos años después de ser descubiertos en los rayos cósmicos.
La descripción más simple de la desintegración β es la conversión de un protón en un neutrón en el seno de un núcleo (desintegración β+) o viceversa (desintegración β−), por lo que el número de nucleones del núcleo (A) se mantiene constante tras la desintegración, pero se modifica el número de protones y neutrones en una unidad (y por tanto, se recorre la cadena isobárica).
El espectro β, a diferencia de los espectros α o γ, es un espectro continuo que se extiende desde el origen de energías hasta la diferencia entre los valores de energía del estado inicial y final de la desintegración. Este hecho no sería posible si se tratase de un problema de dos cuerpos, y por ello, se postuló la existencia de una tercera partícula en el proceso, el neutrino (otras teorías fueron rápidamente descartadas).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Introducción: Presenta el marco teórico sobre la desintegración β, incluyendo la teoría de Fermi, la distribución de intensidad Gamow-Teller y la importancia física de la emisión de partículas cargadas en núcleos deficientes en neutrones.
2 Instalaciones y sistemas de medida: Describe los laboratorios experimentales (CERN-ISOLDE y GANIL), así como los detectores de silicio (Silicon Ball, Silicon Cube) y de germanio (CLOVER) utilizados para la adquisición de datos.
3 Geometría, calibración y electrónica: Detalla el diseño geométrico, los métodos de calibración energética de los detectores y la cadena electrónica necesaria para la gestión de señales y la lógica de trigger.
4 Análisis 17Ne: Se centra en el experimento realizado con el núcleo 17Ne, cubriendo el análisis de la desintegración, los canales de emisión de protones y partículas α, y el ajuste mediante Matriz R.
5 Resultados 17Ne: Presenta los resultados experimentales obtenidos para 17Ne, comparándolos con información previa y analizando los niveles de excitación y la distribución B(GT).
6 Análisis 32,33 Ar: Expone el procedimiento de análisis para los núcleos de argón, incluyendo el tratamiento de espectros de protones y coincidencias p-γ.
7 Resultados 32,33 Ar: Recoge las mediciones detalladas de niveles de energía, intensidades y razones de ramificación para los núcleos de 32Ar y 33Ar.
8 Conclusiones: Resume los hallazgos principales, confirmando la validez de los métodos utilizados y el éxito en la caracterización de los estados excitados de los núcleos estudiados.
Schlüsselwörter
Desintegración beta, Física nuclear, Matriz R, 17Ne, 32Ar, 33Ar, Emisión de protones, Partículas alfa, Gamow-Teller, ISOLDE, GANIL, Espectroscopía, Factor de quenching, Estado Isóbaro Análogo, Modelo de capas.
Häufig gestellte Fragen
¿Cuál es el propósito fundamental de esta investigación?
El trabajo busca profundizar en la estructura nuclear y los mecanismos de desintegración β en núcleos ligeros exóticos, mediante el análisis de la emisión de partículas cargadas para validar modelos teóricos.
¿Qué núcleos son los sujetos de estudio en este documento?
La investigación se centra en los núcleos 17Ne, 32Ar y 33Ar, seleccionados por su inestabilidad y relevancia para entender la estructura cerca de la línea de goteo de protones.
¿Qué técnica matemática se utiliza para analizar las resonancias?
Se emplea el formalismo de la Matriz R (Reaction Matrix), que permite describir las resonancias nucleares dividiendo el problema en un espacio interno y uno externo.
¿Cómo se logra reducir el ruido en las mediciones experimentales?
Se implementan técnicas de coincidencia y anticoincidencia, además de usar detectores VETO y procesos de análisis de datos para discriminar sucesos no deseados.
¿Qué es el "factor de quenching" mencionado en el texto?
Es un factor de escala que permite corregir las diferencias sistemáticas observadas entre las predicciones del modelo de capas para la fuerza Gamow-Teller y los resultados experimentales.
¿Cuáles son las instalaciones experimentales utilizadas?
Los experimentos se llevaron a cabo principalmente en las instalaciones ISOLDE (CERN) y GANIL, utilizando equipos como el Silicon Ball y detectores de germanio CLOVER.
¿Qué revelan los resultados para el 17Ne?
Se han identificado con precisión diversos estados excitados y se ha podido modelar la emisión de protones y partículas α, ajustando las propiedades de los niveles de espín y paridad mediante el análisis de Matriz R.
¿Qué importancia tienen las coincidencias p-γ en el análisis de 32Ar y 33Ar?
Estas coincidencias permiten separar las transiciones y asociar los picos de protones detectados con niveles específicos del núcleo hijo, minimizando la contribución de sucesos aleatorios.
¿Qué conclusión destaca sobre la desintegración del 33Ar?
El trabajo ha logrado identificar significativamente más transiciones que estudios previos, ofreciendo un mapa más completo de los estados excitados y una mejor comprensión de su desintegración β.
- Quote paper
- Ricardo Domínguez Reyes (Author), 2010, Emisión de partículas tras la desintegración beta+ en núcleos deficientes en neutrones: 17Ne, 32Ar y 33Ar, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/200983
