Surrogate neutron-capture studies with fission detection in inverse kinematics at the ESR storage ring

Este artículo presenta la implementación y el rendimiento del nuevo sistema de detección de fragmentos de fisión integrado en el experimento NECTAR en el anillo de almacenamiento ESR, que permitió por primera vez la detección simultánea de residuos de desintegración gamma, emisión de múltiples neutrones y fragmentos de fisión mediante reacciones de sustitución con un haz de iones de uranio-238 almacenado.

Lo esencial

Imagina que quieres entender cómo se rompe una torre de bloques de juguete muy inestable (un átomo pesado) cuando le lanzas una pequeña piedra (un neutrón). El problema es que esa "torre" es tan radioactiva y se desintegra tan rápido que no puedes construir una pila de ellas para hacer el experimento directamente. Sería como intentar atrapar un rayo en una botella.

Los científicos, en lugar de intentar atrapar el rayo, usan un truco de magia llamado "reacción sustituta". En lugar de lanzar la piedra directamente a la torre, lanzan una pelota de tenis (un deuterio) que golpea a la torre de una manera diferente, pero que hace que la torre entre en el mismo estado de "temblor" o excitación que si le hubieran lanzado la piedra. Luego, observan cómo se desmorona la torre para entender qué pasaría con la piedra original.

Este artículo habla de un experimento llamado NECTAR, realizado en un acelerador de partículas gigante en Alemania (el anillo de almacenamiento ESR). Aquí está la explicación sencilla de lo que hicieron:

1. El escenario: Una pista de carreras circular

Imagina que el anillo de almacenamiento es una pista de carreras de Fórmula 1, pero en lugar de coches, circulan iones de Uranio (átomos pesados) a velocidades increíbles. En el centro de la pista, hay una pequeña "nube" de gas deuterio (nuestro lanzador de pelotas).

Cuando los iones de Uranio pasan por la nube, chocan con ella. Algunos chocan y se quedan con una partícula extra (convirtiéndose en Uranio-239), otros solo vibran (Uranio-238 excitado). Ahora tenemos esas "torres de bloques" en un estado de excitación, listas para desmoronarse.

2. El gran problema anterior: Los ojos ciegas

Anteriormente, los científicos podían ver cómo la torre emitía luz (rayos gamma) o perdía pequeñas piezas (neutrones). Pero había un gran problema: no podían ver si la torre se partía en dos grandes pedazos (fisión). Era como intentar adivinar si un pastel se cayó al suelo solo por el ruido, sin poder verlo caer. Sin ver la fisión, el experimento estaba incompleto.

3. La nueva solución: Los "detectives de escombros"

En este nuevo estudio, instalaron un sistema de detectores especial, como si pusieran cámaras de alta velocidad y sensores de impacto alrededor de la pista para atrapar los escombros de la explosión.

• Los detectores de fisión: Colocaron tres sensores gigantes (uno arriba, uno abajo y uno a un lado) justo después del punto de choque. Estos sensores están diseñados para atrapar los dos grandes pedazos en los que se rompe el átomo.
• El desafío del espacio: El anillo de partículas es un tubo al vacío ultra-limpio. No podían meter detectores grandes sin romper el vacío. Así que, como si fueran cajas de herramientas que se guardan en un compartimento secreto, los detectores viven en "bolsillos" de acero. Solo salen cuando es momento de tomar datos y se esconden cuando se inyectan los nuevos iones para no ser golpeados.

4. ¿Qué descubrieron?

Gracias a estos nuevos "detectives", por primera vez pudieron ver todo el espectro de lo que le pasa al átomo al mismo tiempo:

• La luz: Cuando el átomo se calma emitiendo rayos gamma.
• Las piezas pequeñas: Cuando pierde uno, dos o tres neutrones.
• La explosión: Cuando se parte en dos (fisión).

Además, lograron algo mágico: pudieron distinguir entre los átomos que se rompieron por el choque y los que se rompieron porque el proyectil (el deuterio) se rompió antes de golpear. Es como si pudieran decir: "¡Esa manzana cayó porque la golpeé, no porque el árbol se movió!". Esto es algo que nunca se había logrado en experimentos anteriores.

En resumen

Los científicos construyeron un sistema de seguridad y cámaras ultra-avanzado dentro de un acelerador de partículas. Ahora pueden observar, en tiempo real y con gran detalle, cómo los átomos pesados reaccionan cuando son "golpeados" indirectamente.

¿Por qué es importante?
Esto es como tener un manual de instrucciones perfecto para entender cómo funcionan los reactores nucleares y cómo se forman los elementos en las estrellas. Al entender mejor cómo se rompen estos átomos, podemos diseñar reactores más seguros y entender mejor el universo, todo sin tener que manejar materiales peligrosos directamente.

Es un paso gigante para convertir la "magia" de los núcleos atómicos en una ciencia precisa y predecible.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Estudios de captura neutrónica sustitutos con detección de fisión en cinemática inversa en el anillo de almacenamiento ESR

1. Problema y Contexto

Las reacciones inducidas por neutrones en núcleos pesados, especialmente aquellos de vida corta o altamente radiactivos, son difíciles de medir directamente. Las técnicas de reacción sustituta (surrogate reactions) ofrecen una alternativa potente: se forma el mismo núcleo compuesto que en una reacción de captura neutrónica mediante un mecanismo alternativo, y se miden sus probabilidades de desintegración.

• Limitación anterior: Los experimentos sustitutos tradicionales se realizan en cinemática directa y a menudo carecen de una detección directa de fragmentos de fisión, lo que impide una determinación completa de las probabilidades de desintegración para sistemas fisionables.
• Objetivo: El experimento NECTAR (Nuclear rEaCTions At storage Rings) en el anillo de almacenamiento de iones pesados ESR (GSI, Darmstadt) busca realizar estas mediciones en cinemática inversa. El desafío principal era integrar un sistema de detección de fragmentos de fisión en el entorno de ultra alto vacío y espacio limitado del anillo, permitiendo la detección simultánea de residuos de desintegración $\gamma$, emisión de múltiples neutrones y fisión.

2. Metodología y Configuración Experimental

El experimento utilizó un haz almacenado de iones desnudos de $^{238}\text{U}^{92+}$ a una energía de 17.24 MeV/u que interactuó con un objetivo interno de gas deuterio. Se poblaron núcleos excitados de $^{238}\text{U}$ y $^{239}\text{U}$ mediante las reacciones $^{238}\text{U}(d,d')$ y $^{238}\text{U}(d,p)$.

La configuración experimental combinó tres sistemas de detección complementarios, alojados en bolsas detrás de ventanas de acero inoxidable de 25 $\mu$m para mantener el vacío:

• Telescopio de partículas tipo objetivo: Situado a $\theta = 60^\circ$, consistía en un detector de silicio de tiras dobles (DSSSD) de 306 $\mu$m ($\Delta E$) seguido de una pila de seis detectores de silicio de 1.5 mm ($E$). Permitió la identificación de partículas (protones vs. deuterones) y la reconstrucción de la energía de excitación.
• Sistema de detección de fragmentos de fisión (Novedad principal):
  • Se instalaron tres detectores DSSSD personalizados en bolsas específicas: dos arriba y abajo del eje del haz, y uno en el plano horizontal exterior.
  • Diseño: Los detectores superior e inferior son modelos BB36 (80 $\times$ 40 mm$^2$, 500 $\mu$m, 16 $\times$ 16 tiras). El detector lateral es un modelo BB29 (122 $\times$ 40 mm$^2$, 500 $\mu$m, 122 $\times$ 40 tiras), reutilizando componentes de experimentos anteriores.
  • Mecánica: El detector lateral está montado en un sistema móvil con fuelles, permitiendo su retracción total durante la inyección del haz para evitar daños y su inserción solo durante la toma de datos.
  • Geometría: Cubren un gran ángulo sólido para los fragmentos de fisión, que debido a la alta velocidad del haz se enfocan fuertemente hacia adelante (conos de ~17$^\circ$).
• Detector de residuos tipo haz: Situado en una sección dispersiva del anillo, utiliza un DSSSD similar al detector lateral para separar los residuos de haz basándose en su rigidez magnética.

3. Contribuciones Clave

• Primera detección simultánea: Se logró, por primera vez en un experimento sustituto, la detección simultánea de tres canales de desintegración: desintegración $\gamma$, emisión de múltiples neutrones y fisión.
• Validación de eficiencia: Se determinó la eficiencia de detección de fisión mediante simulaciones Monte Carlo (usando g4beamline y el código GEF) y comparación con datos experimentales. La eficiencia resultante fue del ~64%.
• Identificación de canales de desintegración: Se demostró la capacidad de distinguir claramente los diferentes canales de desintegración del núcleo compuesto (emisión de 0, 1, 2, 3 neutrones y fisión) correlacionando la posición en el detector de residuos tipo haz con la energía de excitación.
• Detección de ruptura de deuterón: Se identificó una estructura única asociada a la ruptura del deuterón (residuos pesados producidos tras la ruptura), algo imposible de aislar en experimentos sustitutos anteriores con objetivos de deuterio en cinemática directa. Esto permite restar la contribución de la ruptura de la desintegración del núcleo compuesto en análisis futuros.

4. Resultados

• Rendimiento del detector de fisión: Las simulaciones mostraron una excelente concordancia con los datos medidos, revelando un patrón de dos anillos característico de la fisión asimétrica de $^{239}\text{U}$ (fragmentos ligeros y pesados). Se confirmó que los fragmentos de fisión (con energías cinéticas de 9-29 MeV/u) atraviesan las ventanas de acero con suficiente energía para garantizar una eficiencia intrínseca del 100% en el detector.
• Espectros de residuos:
  • Por debajo de ~5 MeV de energía de excitación, solo se observaron residuos de desintegración $\gamma$.
  • Por encima de la energía de separación de neutrones, se distinguieron estructuras claras para la emisión de uno, dos y tres neutrones.
  • La transmisión de residuos para la emisión de uno y dos neutrones fue del 100%, mientras que para tres neutrones fue menor al 100% debido a impactos en las paredes del tubo de haz, y para cuatro neutrones fue nula (desviados demasiado).
• Correlación de eventos: Al restringir el análisis a tiras verticales específicas del telescopio de partículas tipo objetivo, se redujo el ancho angular de las partículas detectadas, mejorando significativamente la separación de los picos en el detector de residuos tipo haz y permitiendo una identificación precisa de los isótopos de uranio resultantes.

5. Significado

Este trabajo representa un hito crucial en la física nuclear experimental. La implementación exitosa del sistema de detección de fisión en el anillo ESR permite realizar mediciones sustitutas completas de reacciones de captura neutrónica en núcleos pesados en cinemática inversa.

• Proporciona datos fundamentales para restringir propiedades nucleares como la densidad de niveles nucleares (NLD), las alturas de las barreras de fisión y la función de fuerza $\gamma$.
• Mejora la fiabilidad de los modelos de reacción y los cálculos de secciones eficaces de captura neutrónica, esenciales para aplicaciones en energía nuclear, gestión de residuos y astrofísica nuclear.
• Establece un nuevo estándar para experimentos en anillos de almacenamiento, demostrando la viabilidad de integrar sistemas de detección complejos en entornos de ultra alto vacío para estudios de núcleos exóticos.