Overarching ques/on 2: How does subatomic ma9er organize - - PowerPoint PPT Presentation

Overarching ¡ques/on ¡2: ¡How ¡does ¡subatomic ¡ma9er ¡

• rganize ¡itself ¡and ¡what ¡phenomena ¡emerge? ¡
• We ¡can ¡ask ¡this ¡at ¡different ¡levels ¡of ¡resolu'on, ¡e.g., ¡about ¡the ¡structure ¡of ¡

nuclei ¡(here) ¡or ¡the ¡structure ¡of ¡the ¡proton ¡or ¡neutron ¡cons/tuents ¡(later). ¡

• Compare ¡to ¡how ¡atoms ¡organize ¡themselves ¡into ¡materials: ¡crystals, ¡glasses, ¡

liquids, ¡superfluids, ¡and ¡gases. ¡ ¡What ¡type ¡of ¡material ¡is ¡a ¡nucleus? ¡

PERSPECTIVES ¡ON ¡THE ¡STRUCTURE ¡OF ¡ATOMIC ¡NUCLEI ¡ ¡

Ø ¡What ¡are ¡the ¡limits ¡of ¡nuclear ¡existence ¡and ¡how ¡do ¡nuclei ¡at ¡those ¡limits ¡live ¡and ¡die? ¡ ¡ Ø ¡What ¡do ¡regular ¡pa9erns ¡in ¡the ¡behavior ¡of ¡nuclei ¡divulge ¡about ¡the ¡nature ¡of ¡nuclear ¡ forces ¡and ¡the ¡mechanism ¡of ¡nuclear ¡binding? ¡ ¡ Ø ¡What ¡is ¡the ¡nature ¡of ¡extended ¡nucleonic ¡ma9er? ¡What ¡are ¡its ¡phases? ¡ ¡ Ø ¡How ¡can ¡nuclear ¡structure ¡and ¡reac/ons ¡be ¡described ¡in ¡a ¡unified ¡way? ¡ ¡ Ø ¡How ¡can ¡the ¡symbiosis ¡of ¡nuclear ¡physics ¡and ¡other ¡subfields ¡be ¡exploited ¡to ¡advance ¡ understanding ¡of ¡all ¡many-­‑body ¡systems? ¡ ¡

• On ¡the ¡leY, ¡the ¡now ¡familiar ¡Table ¡of ¡Nuclides. ¡ ¡The ¡black ¡squares ¡are ¡stable ¡nuclei, ¡

the ¡blue ¡region ¡is ¡the ¡r-­‑process ¡(rapid ¡neutron ¡captures). ¡In ¡r-­‑process ¡ nucleosynthesis, ¡successive ¡neutrons ¡must ¡be ¡captured ¡before ¡beta ¡decay. ¡ ¡

• Tin-­‑132 ¡and ¡nickel-­‑78 ¡are ¡new ¡ ¡doubly ¡magic ¡nuclei ¡adjacent ¡to ¡the ¡r-­‑process ¡region. ¡ ¡
• On ¡the ¡right ¡is ¡a ¡cartoon ¡of ¡a ¡transfer ¡process: ¡d ¡+ ¡132Sn ¡à ¡p ¡+ ¡133Sn. ¡ ¡The ¡states ¡are ¡

found ¡to ¡be ¡almost ¡pure ¡single-­‑par/cle ¡states, ¡which ¡is ¡a ¡verifica/on ¡of ¡the ¡doubly ¡ magic ¡nature ¡of ¡Tin-­‑132. ¡ ¡ ¡

Figure ¡2.3 ¡from ¡page ¡36 ¡of ¡Exploring ¡the ¡Heart ¡of ¡Ma:er ¡

Proton number (Z) Neutron number (N) N = 82 N = 50 N = 28 N = 20 N = 8 N = 2 Z = 2 Z = 8 Z = 20 Z = 28 Z = 50 Z = 82

132Sn

N = 126

(5/2–) Proton (9/2–) (1/2–)

132Sn

beam

133Sn

beam 3/2– 7/2–

10 20 30 40 50 Counts –2 –1 Q (MeV) 1 60

2,005 keV 1,561 keV 1,363 keV 854 keV CD2 target 0 keV

Nucleosynthesis processes

Adapted from Frank Timmes and H Schatz

rp-process p-process r-process Neutron star crust process Supernova EC process s-process i-process νp-process Stellar fusion

More than half of Z > 28 and 90% of gold from r-process Where does it happen? Type II supernovae (match abundance data?), colliding neutron stars (enough events?), . . .

• Comparison ¡of ¡smooth ¡semi-­‑empirical ¡mass ¡formula ¡predic/on ¡to ¡predicted ¡masses ¡

(which ¡agree ¡well ¡with ¡known ¡masses) ¡reveals ¡where ¡shell ¡effects ¡are ¡large. ¡ ¡Where ¡ do ¡they ¡occur ¡in ¡the ¡/n ¡region? ¡ ¡Are ¡these ¡nuclei ¡more ¡or ¡less ¡stable? ¡

• In ¡the ¡conjectured ¡superheavy ¡region, ¡the ¡Coulomb ¡and ¡strong ¡interac/ons ¡

compete, ¡leading ¡to ¡broad ¡regions ¡of ¡shell ¡effects. ¡ ¡The ¡paradigm ¡of ¡magic ¡numbers ¡ is ¡broken ¡here! ¡

Figure ¡2.4 ¡from ¡page ¡37 ¡of ¡Exploring ¡the ¡Heart ¡of ¡Ma:er ¡

Tin region Superheavy region

60 80 100 40 60 40 50 160 180 200 130 120 110 140

Neutron number Proton number

• 10
• 8
• 6
• 4
• 2
• 12
• 9
• 6
• 3

Physics of Superheavy Elements Chemistry of Superheavy Elements

region of expected long-lived nuclei

Z=112: Copernicium very volatile noble metal

Cn

Figure ¡2.5 ¡from ¡page ¡40 ¡of ¡Exploring ¡the ¡Heart ¡of ¡Ma:er ¡

Figure ¡2.7 ¡from ¡page ¡48 ¡of ¡Exploring ¡the ¡Heart ¡of ¡Ma:er ¡

FIGURE 2.7 Left: Experimental two-neutron separation energies S2n extracted from measured nuclear masses in the Z = 50-82 and N = 82-126 shells. Removing a smooth reference from the bare values shown in the inset highlights the collective contributions attributed to the valence nucleons. The

• nset of nonspherical nuclear shapes is clearly seen around N = 90, along with more subtle effects

near N = 84 and N = 116. Right: Illustration of shape/phase transitional behavior around N = 90. The signature observable R4/2 (= E(4+)/E(2+)) varies from <2 for nuclei very near closed shells to ~2 for spherical vibrational nuclei, to ~3.33 for nonspherical nuclei. SOURCE: Figure courtesy of R. Burcu Cakirli, Max Planck Institute for Nuclear Physics, private communication, 2011. Based on data avail- able through 2010.

• Upper ¡right: ¡Images ¡of ¡a ¡superfluid ¡condensate ¡of ¡fermion ¡pairs ¡in ¡the ¡laboratory, ¡with ¡

increasing ¡strength ¡of ¡the ¡pairing ¡obtained ¡by ¡varying ¡the ¡magne/c ¡field. ¡The ¡density ¡ tracks ¡the ¡equa/on ¡of ¡state ¡of ¡strongly ¡paired ¡fermions ¡from ¡the ¡Bose-­‑Einstein ¡condensate ¡ (BEC) ¡toward ¡the ¡very ¡strong ¡interac/on ¡(or ¡“unitary”) ¡limit. ¡ ¡ Lower ¡le?: ¡Comparison ¡between ¡the ¡energies ¡of ¡cold ¡atoms ¡and ¡neutron ¡ma9er ¡at ¡very ¡ low ¡densi/es. ¡The ¡energies ¡are ¡given ¡rela/ve ¡to ¡those ¡of ¡a ¡noninterac/ng ¡Fermi ¡gas, ¡EFG, ¡ plo9ed ¡as ¡a ¡func/on ¡Fermi ¡momentum, ¡kF ¡/mes ¡sca9ering ¡length ¡a ¡(interac/on ¡strength). ¡

Figure ¡2.2.1 ¡from ¡page ¡47 ¡of ¡Exploring ¡the ¡Heart ¡of ¡Ma:er ¡

Neutron Matter Cold Atoms

−kFa E/E

FG 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.40 2 4 6 8 10

Neutron star crust Astronomical

• bservables

Nuclear

• bservables

Many-body theory Nuclear interactions Nuclear matter equation of state Microphysics (transport,…)

• To ¡understand ¡neutron-­‑rich ¡ma9er, ¡there ¡are ¡rare ¡isotope ¡and ¡PREX ¡

experiments ¡on ¡skins, ¡ ¡LIGO ¡and ¡Virgo ¡will ¡(hopefully!) ¡measure ¡gravita/onal ¡ waves, ¡and ¡high-­‑performance ¡compu/ng ¡will ¡simulate ¡the ¡neutron ¡star ¡crust. ¡

Figure ¡2.6 ¡from ¡page ¡44 ¡of ¡Exploring ¡the ¡Heart ¡of ¡Ma:er ¡

• Es/mates ¡of ¡the ¡computa/onal ¡resources, ¡in ¡petaflop-­‑years ¡(what ¡kind ¡of ¡unit ¡

is ¡that?), ¡needed ¡to ¡make ¡breakthrough ¡predic/ons ¡in ¡key ¡areas ¡of ¡nuclear ¡ physics: ¡hot ¡and ¡dense ¡QCD, ¡structure ¡of ¡hadrons, ¡nuclear ¡structure ¡and ¡ reac/ons, ¡nuclear ¡astrophysics, ¡and ¡accelerator ¡physics. ¡ ¡[From ¡M. ¡Savage] ¡

Figure ¡2.3.1 ¡from ¡page ¡53 ¡of ¡Exploring ¡the ¡Heart ¡of ¡Ma:er ¡

Petaflop-Yrs on Task

Transport in QCD (quenched) Isotope separator optimization Energy Recovery Linac Nucleon Spin Deuteron Alpha particle

10-1 1 10 102

Hot and Dense QCD Cold QCD Nuclear Structure Nuclear Astrophysics Accelerator Physics

Excited hadronspectrum Nuclear force Neutron EDM

103

Gluon distributions Light nuclei Light ion reactions Triple α process 0ν ββ rates for 48Ca Neutron induced fission Weakly bound nuclei Dynamics of neutron star crust 3D supernova Global solar model Precision nuclear network Precision neutrino network Multienergy neutrino transport QCD critical point High-T limit of QCD EOS QCD at T>0 Continuum extrapolated QCD EOS Quarkonium spectroscopy Electron-cooling design 6D Vlasov

Figure ¡2.10 ¡from ¡page ¡55 ¡of ¡Exploring ¡the ¡Heart ¡of ¡Ma:er ¡

Above: ¡major ¡theore/cal ¡approaches ¡(but ¡ab ¡ini/o ¡is ¡ much ¡larger ¡now!). ¡Right ¡top: ¡ab ¡ini/o ¡quantum ¡Monte ¡ Carlo ¡calcula/on ¡of ¡proton ¡density ¡in ¡carbon-­‑12. ¡Right ¡ ¡ middle: ¡neutrino ¡flavor ¡oscilla/on ¡in ¡supernova. ¡Right ¡ bo9om: ¡energy ¡surface ¡for ¡fermion-­‑258 ¡from ¡nuclear ¡ DFT ¡explains ¡bimodal ¡fission. ¡ ¡