PROGRAMA DE FISICA NUCLEAR AVANZADA

2005-2006

Parte I

(Prof.Eulogio Oset. 4.5 créditos)

Tema 1.-Propiedades generales de los núcleos.

1. Partículas e interacciones elementales. Leptones. Hadrones. Números cuánticos. Núcleos normales. Núcleos exóticos.

2. Tamaños y densidades nucleares. Determinacion experimental. Colisión de electrones. Átomos muónicos. Atomos piónicos. Determinación de distribuciones de neutrones. Otros métodos.

3. Propiedades electromagnéticas de los núcleos. Momento angular. Momentos cuadrupolar eléctrico y dipolar magnético. Forma de los núcleos.

4. Energía de ligadura de los núcleos. Modelo de gas de Fermi. Fórmula semiempírica.

Tema 2. Fuerzas Nucleares

1. Colisión neutrón-protón abajas energías. Aproximación de alcance efectivo. Estado ligado n-p.

2. Colisión protón-protón a bajas energías. Interacción n-p. Independencia de carga. Formalismo de isospín. Simetría de carga.

3. Amplitudes N-N. Formas posibles de potenciales fenomenológicos. Rasgos generales de las fuerzas nucleares deducidos de datos de colisión. Potenciales más usados en la literatura.

4. La interacción N-N en teoría cuántica de campos. Potencial debido al intercambio de un pión. Órdenes superiores en el intercambio de piones. El modelo de intercambio de bosones.

5. El deuterón. Determinación de la función de onda. Momento magnético y momento cuadrupolar eléctrico. Ecuaciones acopladas.

Tema 3. Modelos Nucleares I: Modelo de capas.

1. Modelo de capas. Potencial central promedio. Números mágicos. Interacción spin-órbita.

2. Predicciones del modelos extremo de partícula independiente. Apareamiento. Esquema de acoplamiento de seniority.

3. Interacción residual. Mezcla de configuraciones. Correlaciones nucleares: correlaciones de Pauli; correlaciones del centro de masas.

4. Ecuación de Bethe-Goldstone. Correlaciones de corto alcance. Función de onda de Jastrow. Métodos variacionales.

Tema 4. Modelos Nucleares II: Modelos colectivos.

1. Variedades de movimiento colectivo. Vibraciones, rotaciones, resonancias gigantes. Evidencia experimental. Hamiltoniano intrínseco y colectivo. Variables colectivas de superficie.

2. Vibraciones. Cuantización de las variables colectivas. Fonones. Transiciones electromagnéticas colectivas.

3. Rotaciones. El Hamiltoniano de Bohr. Funciones de onda de estados rotacionales. Bandas de energía rotacionales.

4. Estructura de capas en núcleos deformados. Modelo de Nilsson. Espectro de los núcleos impares deformados.

5. Fenomenología de la fisión nuclear. El modelo de la gota líquida. La doble barrera los isómeros de forma.

Tema 5. Procesos de desintegración nuclear

1. Fenomenología de la desintegración Descripción por la aproximación WKB. Factores de formación.

2. Radiación electromagnética en núcleos. El centro de masas y la radiación E1. Unidades Weisskopf. Conversión interna. Creación de pares.

3. Desintegración características generales. Leyes de conservación y balance energético. El Hamiltoniano de la interacción débil.

4. Cálculo de las probabilidades de desintegración. Vidas medias y valores ft.

5. Aplicación de la desintegración beta a la determinación de espines y paridades nucleares. Transiciones de Fermi y Gamow -Teller.

Parte 2

Prof. José Díaz Medina( 4.5 créditos)

Tema 1. La Física Nuclear Experimental en el mundo: Instalaciones, aceleradores y temas.

1. Introducción. Esquema de un experimento con acelerador. Dominios de energía. Características básicas de un experimento: Intensidad y estructura temporal del haz; Transporte del haz; Sección eficaz; Apilamiento de sucesos en detectores; Triggers; Adquisición de sucesos.

2. Aceleradores electrostáticos. Aceleradores Van de Graaf. Aceleradores de iones ligeros y pesados dedicados al estudio de la estructura nuclear y reacciones nucleares a bajas energías y principales temas de investigación.

3. Ciclotrones. Aceleradores de iones ligeros y pesados a energías intermedias y principales temas de investigación.

4. Separadores de masa. Espectrómetros magnéticos. Separadores de fragmentos.

5. Aceleradores de haces radiactivos.

6. Aceleradores de iones pesados a energías relativistas y principales temas de investigación. Sincrotrones. Aceleradores de protones.

7. Factorías de mesones.

8. Anillos de almacenamiento.

9. Aceleradores de electrones. Microtrones. Producción de fotones etiquetados. Instalaciones de radiación sincrotrón y aplicaciones.

10. Aceleradores como fuentes de neutrones y aplicaciones.

Tema 2. Reacciones nucleares a bajas energías.

1. Introducción. Canales de reacción.

2. Clasificación de las reacciones nucleares según el canal de salida.

3. Clasificación de las reacciones nucleares según la energía incidente. Clasificación según el tipo de proyectil.

4. Clasificación de las reacciones nucleares por el tiempo de interacción: Reacciones directas y de núcleo compuesto.

5. Cinemática de reacciones nucleares. Sistemas Centro de Masas y Laboratorio.

6. Características de un experimento con acelerador. Observables: Secciones eficaces diferenciales, polarizaciones, secciones eficaces totales, secciones eficaces de reacción, correlaciones angulares.

7. Dispersión por un potencial. Dispersión Coulombiana. Comportamiento asintótico de la función de onda y amplitud de dispersión.

8. Desarrollo en ondas parciales de la función de onda y la amplitud de dispersión. Conexión entre las descripciones mediante potencial y amplitud de dispersión. Amplitud de dispersión para canales no elásticos. Matriz S y relación de unitariedad. Seccion eficaz de reacción, elástica y total. Teorema óptico.

9. Dispersión de partículas idénticas. Principio de balance detallado.

10. Experimentos de dispersión elástica a bajas energías. Modelo óptico. Descripción de la dispersión elástica y análisis de datos mediante el potencial óptico. Potenciales de convolución.

11. Aproximación de Born y de ondas distorsionadas. Dispersión inelástica. Reacciones de transferencia de nucleones y factores espectroscópicos.

Tema 3. Reacciones nucleares a energías intermedias y relativistas.

1. La ecuación de estado de la materia nuclear. Transiciones de fase.

2. Multifragmentación. Núcleos calientes. Transición de líquidio a gas.

3. Producción de partículas en colisiones nucleares. Producción de fotones. Producción de mesones.

4. La simetría Chiral. restablecimiento parcial de la simetría chiral en materia nuclear. Medida de propiedades de mesones vectoriales en materia nuclear.

5. Reacciones nucleares a energías ultrarelativistas. La búsqueda del plasma de gluones y quarks. Sondas para detectar el plama de gluones y quarks. Principales experimentos y resumen de resultados existentes.

Tema 4. Astrofísica Nuclear.

1. Dominios de interés de la Física Nuclear en la astrofísica.

2. Corrimiento al rojo de las galaxias y ley de Hubble. Hipotesis del Big-bang.

3. Relación edad-temperatura del Universo.

4. Radiación de fondo en el universo. Relación entre bariones y fotones en el universo.

5. Instantes cruciales en los primeros cinco minutos: desde la creación de la materia hasta la formación del deuterio.

6. Nucleosítesis primitiva.

7. Los elementos ligeros como residuos del Big-Bang.

8. Nucleosítesis estelar. Procesos . El problema de los neutrinos solares.

9. Tasas de reacción en las estrellas. Ciclos CNO. El proceso triple alfa. Combustion de carbono. Combustión de Silicio.

10. Formación de elementos pesados. Explosiones supernova. Procesos . Procesos .

Tema 5. Aplicaciones de la Física Nuclear en Materiales, Industria, Medicina y otros campos.

1. Aplicaciones al análisis elemental; Activación neutrónica y PIXE. HIXE.

2. Aplicaciones al estudio de materiales: RBS, aniquilación de positrones.

3. Aplicaciones en Medicina. Radioterapia. Terapia de hadrones. PET.

Objetivos de la asignatura.

Tras una asignatura troncal en la que se ha dado una visión descriptiva de la Física Nuclear, este curso tiene como finalidad profundizar en los problemas. Se describe desde el punto de vista teórico los aspectos básicos de la interacción entre nucleones, de la estructra nuclear , de la interaccion de partículas con los núcleos y de los procesos de desintegración y las reacciones nucleares. Se presta igualmente atención a los aspectos experimentales, describiendo los laboratorios actuales en los que se investiga en los diversos temas, y el tipo de estudios y reacciones que se llevan a cabo. Aplicaciones en Astrofísica y la presentación de las técnicas nucleares a otros campos de la ciencia y la industria se incluyen también en el temario.

Calificación de la asignatura.

Examen(obligatorio): Constará de cuestiones de teoría y ejercicios prácticos.

Realización de problemas en clase(voluntario). Servirá para mejorar la nota obtenida en el examen.

Bibliografía:

• J.M. Eisemberg y W. Greiner. Nuclear Theory (Vol. 1,2). North-Holland.

• S.S.M. Wong. Introductory Nuclear Physics. Prentice Hall, 1990.

• Basic Ideas and Concepts in Nuclear Physics. K. Heyde. IOP, 1994.

• A. Bohr and B. R. Mottelson. Nuclear Structure (Vol. 1,2). Benjamin, 1969.

• Nuclear and Particle Physics. W.S.E. Williams. Oxford, 1991.

• W. F. Hornyak. Nuclear Structure. Academic Press, 1975.

• Preston, Bhaduri. Structure of the Nucleus. Addison-Wesley, 1975.

• C. E. Rolfs, W. S. Rodney. Couldrons in the Cosmos. Chicago university Press, 1988.

• G. R. Satchler. Introduction to Nuclear Reactions. MacMillan, 1982.

• Satchler. Direct Nuclear Reactions. Oxford University Press, 1981.

• C. Y.Wong. Introduction to High-Energy Heavy-Ion Collisions. World Scientific, 1994.

• K. S. Krane. Introductory Nuclear Physics. John Wiley, 1988.

• S. Boffi, C. Giusti, F. D. Pacati, M. Radici. Electromagnetic Response of Atomic Nuclei. Oxford University Press, 1996.

• H. Feshbach. Nuclear Reactions. John Wiley, 1992.