Proyecto de investigación en el área
Interacción de radiación con la materia

Dinámica de tres partículas en ionización por colisión con positrones


Director: Juan Fiol
Orientación: Interacción de Radiación con la Materia
Lugar: División Colisiones Atómicas - Centro Atómico Bariloche

Propuesta

En colisiones de iones con átomos y moléculas sencillas uno de los procesos de mayor interés es la ionización del blanco, resultando en un estado final con varias partículas cargadas, cada una en el continuo de las otras. Los procesos de ionización son de interés en áreas muy diversas, tales como física de la alta atmósfera, física del plasma, aplicaciones médicas o análisis no-destructivo de materiales.

Quizás el método más desarrollado para el estudio de los procesos de ionización consiste en la determinación de secciones eficaces doblemente diferenciales mediante la medición de los electrones emitidos, determinando simultáneamente su energía y dirección de salida.

Figure 1: Distribución de impulsos de los electrones emitidos en la ionización de helio por colisión con protones de velocidad v = 8  a.u.

Las mediciones de este tipo producen espectros caracterizados por tres estructuras dominantes, un máximo para energías de emisión electrónica muy bajas, una estructura en forma de anillo y un máximo cuando la velocidad del electrón es igual a la velocidad del proyectil.

El anillo proviene de procesos de ``colisión binaria'', que en una imagen clásica pueden pensarse como colisiones frontales entre el proyectil y el electrón sin participación importante del núcleo del blanco [1, 2, 3, 4, 5, 6]. El origen de las otras dos estructuras está relacionado con la densidad de estados ligados de dos cuerpos electrón-núcleo. Ambas presentan un comportamiento divergente. El máximo de bajas energías,

En particular, el máximo localizado en la velocidad del proyectil, llamado pico de captura al continuo (Electron Capture to the Continuum, ECC) fue tardíamente descubierto en la década del 70 y estudiado intensivamente hasta la actualidad. Algunas de sus características aún son motivo de controversia. Un caso que merece especial atención es el de colisiones con antipartículas. Las secciones eficaces doblemente diferenciales para ionización atómica y molecular por impacto de positrones no muestran la estructura situada en la velocidad del proyectil [7, 8, 9, 10].

Figure 2: La distribución de impulsos de los electrones emitidos en la ionización de helio por colisión con positrones de velocidad v = 8  a.u. muestra sólo una estructura suave en la posición correspondiente el pico de ECC.

Hace unos pocos años, una investigación experimental demostró que el pico de captura al continuo existe para el caso de positrones [11] mediante la detección simultánea del electrón emitido y el positrón deflectado. Siguiendo dicho trabajo hemos mostrado teóricamente cómo dicho pico, predicho una década antes [12], desaparece en mediciones similares a las utilizadas en el caso de impacto de iones [13, 14, 15]. Junto con la confirmación experimental de la predicción teórica, estas mediciones descubrieron un resultado inesperado y cuya explicación evadió a la comunidad durante una década. Tanto por los resultados con iones como por los desarrollos teóricos previos, se espera que las velocidades del electrón y del positrón en el estado final sean iguales. Sin embargo, los resultados experimentales con positrones muestran una fuerte asimetría, con la velocidad de los positrones mayor que la de los electrones [11, 16, 17].

Figure 3: Espectros de ionización de electrones emitidos en la dirección de incidencia del proyectil en colisiones de positrones con hidrógeno molecular.

Este efecto, no ha sido observado en colisiones con iones ni ha sido descripto por ninguna teoría cuántica hasta el momento. Sólo un método de trayectorias clásicas de Monte Carlo (CTMC) parece corroborar los resultados experimentales [14]. En los últimos años se han propuesto diferentes explicaciones para el corrimiento de esta estructura, como por ejemplo competencia entre ionización y captura. Recientemente investigamos la posibilidad de interferencia debida a los canales de aniquilación en las secciones eficaces observadas. Sin embargo estas propuestas, aunque plausibles, no logran explicar los resultados experimentales.

Sólo recientemente hemos obtenido evidencia teórica de que el origen del corrimiento observado experimentalmente está relacionado con la orientación del par positrón-electrón en el estado final del continuo en presencia del ion residual del blanco.

Propuesta de trabajo y formación

En este trabajo proponemos el estudio de los procesos de ionización por impacto de positrones mediante métodos clásicos y cuánticos que nos permitan describir y comprender los fenómenos observados experimentalmente. Los resultados que hemos obtenido nos permiten reproducir el fenómeno en forma clásica. Sin embargo se necesita una investigación más detallada para comprender completamente su origen. Además, todas las teorías propuestas dentro de un marco cuántico fallan en la descripción del corrimiento.

Este trabajo intentará, en una primera etapa el estudio sistemático del problema utilizando herramientas de Mecánica Clásica y posteriormente el desarrollo de un modelo cuántico adecuado.

Simultáneamente con los objetivos de investigación, se procurará la formación gradual del estudiante en los aspectos teóricos y experimentales de la Física de colisiones atómicas y física atómica en general, así como la adquisición de herramientas básicas de la investigación. Se cursarán materias del área que provean al estudiante de los conocimientos necesarios para el trabajo propuesto y le permitan incorporar una visión integral del trabajo realizado en el área. Las materias que se detallan a continuación sirven de orientación; los cursos a tomar por el estudiante se organizarán y distribuirán en los distintos semestres según disponibilidad.

Primer semestre

Objetivo:
Adquirir los conocimientos básicos de la Física de Colisiones Atómicas, tanto en sus aspectos teóricos como experimentales.

Carga horaria:
Dos materias.

Segundo semestre

Objetivo:
Estudiar otros temas específicos de la Física Atómica y Molecular.

Carga horaria:
Dos materias.

Tercer semestre

Objetivo:
Adquirir información sobre otros temas del área.

Carga horaria:
Una materia. A definir según disponibilidad.

References

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