¿Qué sabemos del francio? - Department of Physics

¿Qué sabemos del francio?
Luis A. Orozco
Joint Quantum Institute, Department of Physics,
University of Maryland y
National Institute of Standards and Technology
TaDEM 2012, Mayo 2012, UNAM
Con apoyo de la Optical Society of America
Colaboración FrPNC
Experimentos aprovados en TRIUMF S1010, S1065, S1218
Seth Aubin; College of William and Mary, USA.
John A. Behr, K. Peter Jackson, Matt R. Pearson, Michael Tandecki;
TRIUMF, Canada.
Victor V. Flambaum; University of New South Wales, Australia.
Eduardo Gómez; Universidad Autónoma de San Luis Potosí, México.
Gerald Gwinner SPOEKESPERSON Robert Collister, Andrew
Senchuk; University of Manitoba, Canada.
Dan Melconian; Texas A&M, USA.
Luis A. Orozco, Jiehang Zhang; University of Maryland, USA.
Gene D. Sprouse; SUNY Stony Brook, USA.
Yanting Zhao; Shanxi University, Taijuan, China.
Trabajo apoyado por NSERC de Canada, DOE, y NSF de EEUU.
Estudiantes de doctorado en
este proyecto en Stony Brook
Josh Grossman (2001)
Gerald Gwinner (1995) y
Jesse Simsarian(1998)
Eduardo Gómez (2005) y Seth Aubin (2003)
University of Maryland:
Adrián Pérez (2009), Dong Sheng (2011)
Jiehang Zhang (201?)
Marguerite Perey la descubridora del Francium
Instituto Curie, Paris
Fr
Z=87; A=208-212
Radioactivo (223Fr,212Fr: τ1/2≈20 min; 210Fr: τ1/2≈ 3 min)
Solo existe menos de un microgramo en toda la tierra, hay que
hacerlo. Lo queremos utilizar para estudiar la fuerza débil
Como hacíamos Fr en Stony Brook ?
Fr
Carta de los
Nucleos
210
producto
18O
projectil
197Au
blanco
Z
O
N
+ Au
Fr
215
neutrón
s
Breve Historia del Francio en Stony
Brook
1991-94: Construcción de la producción y la
trampa magneto óptica.
1995: Producción y atrapamiento del Francio in
en una MOT.
1996-2000: Espectroscopía láser del Francio
(8S1/2, 7P1/2,7D5/2,7D3/2, anomalía hiperfina).
2,000 átomos
Fr MOT
2000-2002: Trampa de alta eficiencia.
2003: Epectroscopía de los niveles 9S1/2, 8P1/2,
8P3/2 ,
2004: Vida media del nivel 8S.
2007:Momento magnético del 210Fr basado en
el nivel 9S1/2.
250,000 átomos
Fr MOT
Resultadod de la segunda
generación
Atrapamos 350,000 átomos de 210Fr.
con una eficiencia global del 1 %
Estudios epectroscópicos del Fr
Localización de niveles de energía
Vida media de estados excitados (elementos de la
matriz de trancisión)
Separación hiperfina (funciones de onda en el
nucleo)
Comparación cuantitativa con cálculos ab initio.
Vida media del estado 8s
8s decaimiento
Vida media = 53.30 ± 0.44 ns
Comparación con la teoría
a)  Safronova et.al.
b)  Dzuba et.al.
c) 
Johnson et.al.
d)  Dzuba et.al.
e)  Marinescu et.al.
f) 
Theodosiou et.al.
g)  Biemont et.al.
h)  Van Wijngaarden
et.al.
Distribución de los neutrones
Cálculos de Alex Brown de las funciones de onda de
la estructura nuclear en Fr, La función de onda del
electrón es de Mariana Safronova
Anomalía hiperfina
a: nucleo puntual
b: <rc>=<rm>
c: shell model
Espectroscopía del estado 9S
Separación hiperfina del niverl 9S level: 4044.7
(2.3)MHz, A= 622.25(36) MHz
El momento magnético del 210Fr basado en una constante
hiperfina calculada por Marianna Safronova: 4.38(5) µN.
La naturaleza no tiene simetría de paridad.
1950 Purcell y Ramsey dicen que debe ser verificada.
1956 T. D. Lee y C. N Yang apuntan hacia la interacción
débil.
1957 Tres experimentos muestran que la interacción débil
viola paridad: Wu, Lederman y Telegdi dirigen los tres
grupos.
El experimento Columbia-NBS Wu, Amber, Hayward,
Hoppes y Hudson estudio el decaimiento b del cobalto.
Por qué es importante la fuerza débil:
Inicia el ciclo solar: Es la responsable del convertir
a un protón en un neutrón y así permitir la
formación de Helio.
Determina el decaimiento beta en los núcleos
radioactivos.
Los neutrinos sienten la fuerza débil y la gravedad.
La fuerza débil estaba unida a la electromagnética
hasta que el universo comenzó a enfriarse.
Decaimiento β 60Co
Wu, Ambler, Hayward, Hoppes, and Hudson; Columbia,
National Bureau of Standards (now NIST).
Buscar una correlación (pseudoscalar) entre:
Spin nuclear σ y el momento del electrón p
 
σ⋅p
€
Violación de paridad en física atómica
Potencial de Coulomb, interacción spin-orbit, etc.
H atomic = H 0 + H PV
Término de violación de
paridad. (1958
Zel’dovich)
El nuevo Hamiltoniano induce una perturbación en los
eigenestados :
| ϕ 0 〉 →| Ψ〉 =| ϕ 0 〉 + ∑
n
〈ϕ n | H PV | ϕ 0 〉
| ϕn 〉
E0 − En
Para los alkalinos el estado base: | Ψ〉 =| nS1/ 2 〉 + δ | nP1/ 2 〉 + ...
€
Trancisiones
previamente prohibidas (e.g. E1) son ahora
permitidas
€
A ∝ 〈Ψ | r | Ψ〉 ≠ 0
H PV
H
€
€
GF
=
(κ1iγ 5 − κ nsd ,iσ n ⋅ α )δ (r)
2
H
NSI
PV
Interacción independiente
del spin del nucleo :
• Coherente sobre todos
los nucleones.
• Se incrementa como Z3
NSD
PV
Interacción dependiente del spin del
nucleo:
• Solo paricipan los nucleones de
valencia.
• Se incrementa como Z8/3
• La contribución mayor es del anapolo
€
La historia del momento anapolar
1958 Zel’dovich, Vaks
1980 Khriplovich, Flambaum
1984 Khriplovich, Flambaum, Shuskov
1995 Fortson (Seattle) límite basado en un
experimento en bouThallium
1997 Wieman (Boulder) medición en Cesio con
incertidumbre del 15%
Corriente chiral
Momento Anapolar

2
a = ∫ drr J (r )
Current
Magnetization
Método
1.- Definir el sistéma de
coordenadas del aparato
(iE RF × BM 1 ⋅ BDC )
€
2.- Crear una superposición para
interferir la señal :
PNC
Atotal = AMPC1 ± AE1
3.- Medir la tasa de transición
mediante resonancia fluorecente.
Rate ∝ Atotal
€
2
4.- Cambiar el sentido del aparato
2
Señal esperada con 450 V/m
AE1
€
+
−
Signal ∝ Atotal
− Atotal
5.- Repetir.
 = 0.01 rad /s
€
2
Trampa con
desanclaje al azul
Fluorescencia de los átomos atrapados
Transición M1 para interferencia
Simulación de la cavidad de micro-ondas con HFSS
Espejo con arreglo de hollos fabricado en UMD FabLab.
Cavidad
FWHM: 1.0425 MHz, Q=3.9 × 104
Principlio de la medición
⎛ (AM 1 ± AE1 )t c ⎞
Ξ ± = N sin ⎜
⎟
⎝
⎠
2
⎛ AM 1t c ⎞⎛ AE1t c ⎞
S = Ξ + − Ξ − ≅ N sin⎜
⎟⎜
⎟
⎝ 2 ⎠⎝ 2 ⎠
2
€
Pruebas con micro-ondas.
M1 oscilaciones de Rabi (50 Hz) con 105 Rb átomos en
una trampa dipolar azul (20 nm). Tiempo de
decoherencia 180 ms.
Prueba de la sensitividad del
aparato
Signal
= 2ΩE1Δt N = 2
Noise
Número de átomos = N ~ 106
ΩE1 ~ 10 mrad
Tiempo de interacción= Δτ ~ 0.1s
Resultados del blanco actinita en Diciembre 2010
ISAC facility @ TRIUMF500 MeV protons (2 µA) on UC (30 g/cm2).
University of Maryland
September 6, 2011
University of Maryland
September 8, 2011
ISAC I hall at TRIUMF
Espectroscopía collineal buscando 206Fr en Sep. y Dic. 2011
Resultados preliminares: observar el estado base del isótopo 206 isotope y su isómero
¿Qué sigue para FrPNC?
•  Acoplar la trampa a la línea del acelerador
• Atrapar Fr
• Estudios de Anomalía Hiperfina.
• Medición del momento anapolar en una cadena de
isótopos
• Medición de la violación de paridad óptica.
GRACIAS