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El comité de expertos de FAIR, instalación europea de referencia en investigación de física nuclear, ha aprobado el diseño de CALIFA, uno de los detectores de un experimento que analizará la estructura de núcleos atómicos ‘exóticos’ y las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas. El diseño de CALIFA está liderado por la Universidad de Santiago de Compostela, con la participación del Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC), la Universidad de Vigo y otros centros europeos.
El comité de expertos de Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), laboratorio de investigación nuclear que se construye en Alemania incluido en la lista ESFRI de instalaciones científicas prioritarias para la UE, ha aprobado el diseño del detector CALIFA, iniciando su construcción.
Se trata de un calorímetro que forma parte del experimento R3B, que estudiará núcleos 'exóticos' y las reacciones nucleares que se producen en el interior de las estrellas.
CALIFA ha sido diseñado por un equipo internacional formado por científicos de 13 centros de investigación de Alemania, España, Suecia, Portugal y Rusia. El proyecto está liderado por la Universidad de Santiago de Compostela (USC), y cuenta con una importante participación del Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC) y la Universidad de Vigo.
El experimento R3B estudiará la estructura y dinámica de núcleos atómicos muy alejados de la estabilidad. Estos núcleos, denominados 'exóticos' por los científicos, tienen una composición muy desigual en el número de protones y neutrones que los constituyen, lo que les convierte en inestables y por tanto de corta duración.
El sistema de aceleradores de FAIR permitirá que haces muy intensos de núcleos estables se aceleren a energías ‘relativistas’, esto es, velocidades cercanas a las de la luz, produciendo estos núcleos exóticos.
Los núcleos exóticos llegarán al experimento R3B para chocar contra un blanco y estudiar así los productos de su desintegración. Estos estudios permitirán comprender mejor los núcleos atómicos, las primeras estructuras complejas de materia ligadas por la interacción fuerte (una de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza).
También ayudará a reproducir y estudiar en el laboratorio las reacciones que tienen lugar en las estrellas y que explican el origen de los elementos químicos en el universo y los procesos de evolución estelar.
Amplio y versátil
CALIFA es un detector que se sitúa alrededor del blanco de R3B en el que ocurren las reacciones y permitirá determinar la energía de las partículas producidas en ellas. “Lo que hace de CALIFA un detector novedoso en física nuclear son el amplio rango de energías en el que trabaja y su versatilidad, ya que actuará no solo como un calorímetro, sino también como un espectrómetro”, destaca la responsable del proyecto, Dolores Cortina, de la Universidad de Santiago de Compostela.
CALIFA es capaz de medir radiación gamma con energía desde cien kiloelectronvoltios (keV) hasta partículas ligeras cargadas con centenas de megaelectronvoltios (MeV). Para abarcar esta amplitud de rango de energías, los investigadores españoles han diseñado un instrumento muy segmentado constituido por unas 3.000 células de detección. Las partes están encajadas en una estructura de fibra de carbono de tan solo 250 micras.
El diseño de la estructura mecánica es responsabilidad de los científicos de la Universidad de Vigo, y se ha realizado en colaboración con la USC y el IEM. “Con todo esto conseguimos reducir al mínimo la ‘materia muerta’ en el detector, combinando una buena resolución en energía y manteniendo la eficiencia de detección”, explica Cortina.
La principal contribución de la USC a CALIFA consiste en el diseño de las células de detección, formadas por cristales de yoduro de cesio, acopladas a fotosensores de gran superficie.
La electrónica, concebida específicamente para el detector, ha sido desarrollada por científicos alemanes con participación española. Las técnicas utilizadas en el diseño, construcción y análisis y tratamiento de señales recogidas con CALIFA son aplicables a la imagen médica, tanto a nivel de sistemas de detección como en técnicas de reconstrucción por software de las mismas.
Primero en estrenar FAIR
Para Cortina, la aprobación del diseño de CALIFA “supone la validación de un trabajo que llevamos realizando durante los últimos seis años”. Además, marca el inicio de la fase de construcción de la parte lejana al blanco donde impactan los haces, que es la que se ha aprobado. En paralelo, los investigadores españoles tienen que completar el diseño de la parte delantera del detector. En 2018 el detector completo debe estar finalizado, puesto que R3B será el primero en ‘estrenar’ los haces de FAIR.
El coste final de CALIFA se estima en 5 millones de euros. Los científicos españoles han propuesto contribuir en la construcción de hasta un 30% de los módulos de detección, así como la estructura mecánica, particularmente su parte interna realizada en fibra de carbono que sustenta los cristales centelladores.
FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) es un consorcio internacional donde trabajan unos 3.000 científicos de 40 países que se construye cerca del laboratorio GSI en Darmstadt (Alemania). Contará con cuatro aceleradores (uno lineal y tres sincrotrones) que podrán acelerar haces de iones estables y exóticos y antiprotones con intensidades sin precedentes y a grandes energías, hasta 30 gigaelectronvoltios (GeV) por unidad de masa del núcleo atómico.
FAIR es una de las infraestructuras científicas prioritarias para la Comisión Europea recogida en su lista ESFRI. Su coste se cifra en 1.186 millones de euros, financiados al 75% por el gobierno alemán y al 25% por los países participantes.
Unos 200 científicos de diez universidades españolas –Autónoma y Complutense de Madrid, Granada, Huelva, Politécnica de Cataluña, Salamanca, Santiago de Compostela, Sevilla, Valencia y Vigo–, y dos institutos del CSIC, Instituto de Física Corpuscular (IFIC) e Instituto de Estructura de la Materia (IEM), trabajan activamente en el proyecto.
La participación española cuenta con el apoyo del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider-Ingenio 2010.
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