Infrastructura Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics (ELI-NP) se va baza pe urmatoarele doua componente:

Un sistem laser de putere ultra inalta, unde fasciculele de la doua lasere de 10 PW sunt adaugate in mod coerent pentru a se obtine intensitati de ordinul 1023 W/cm2 sau campuri electrice de 1015V/m.
Un fascicul de radiatie γ foarte intens si stralucitor (1013γ/s), cu o latime de banda ~ 0.1 % si energie reglabila Eγ pana la 19.5 MeV, obtinut prin retroimprastiere incoerenta prin efect Compton a unei radiatii laser pe un fascicul intens de electroni accelerati (Ee= 720 MeV) produs de un accelerator cu tehnologie clasica.

Aceasta infrastructura va crea un nou laborator european cu o gama foarte larga de domenii stiintifice, acoperind fizica fundamentala de frontiera, fizica nucleara si astrofizica, precum si aplicatii in domeniul materialelor nucleare, gestionarea deseurilor radioactive, stiinta materialelor si stiintele vietii.
Pentru crearea ELI-NP, avem in vedere urmatoarele doua principii, ca linii directoare:

  • o realizare etapizata a ELI-NP;
  • un design flexibil al infrastructurii ELI-NP.

ELI-NP va permite atat experimente combinate intre laserul de mare putere si fasciculul γ, cat si experimente independente.

Laserul de mare putere va putea atinge intensitati de pana la 1024W/cm2. Prin experimente combinate cu fasciculul γ si cel de electroni accelerati se vor putea studia noi procese fundamentale in electrodinamica cuantica (QED). Utilizarea laserului de mare putere si a fascicului γ va duce la progrese importante in fizica nucleara si domeniile asociate, cum ar fi sinteza elementelor in astrofizica sau chiar observarea in fizica fundamentala a crearii unei perechi particula-antiparticula din vidul cuantic. In domeniul fizicii nucleare fundamentale ELI-NP poate aduce o mai buna intelegere teoretica a rezonantelor nucleare compuse. Fata de infrastructurile γ anterioare, latimea de banda mult imbunatatita este decisiva pentru aceasta noua infrastructura. Cateva experimente, ca de exemplu experimentul privind violarea conservarii paritatii, devin posibile doar datorita acestei latimi de banda mult mai bune. Marea majoritate a experimentelor cu fascicule γ vor beneficia in mod proportional de latimea de banda imbunatatita deoarece latimile nivelelor nucleare studiate sunt cu mult mai mici. Astfel, proportia dintre dintre cuantele γ "bune" din interiorul latimii nucleare de linie comparativ cu cuantele γ "rele" din exterior, care sufera imprastieri Compton si determina fondul in detectori, va fi imbunatatita in mod semnificativ. In afara de o gama larga de proiecte de fizica fundamentala, va fi posibila si o cercetare cu posibile aplicatii foarte diversificate la ELI-NP. Va castiga o importanta deosebita pentru comunitatea europeana proiectul prin care se vor cerceta tehnici pentru caracterizarea de la distanta a materialelor nucleare sau deseurilor radioactive prin intermediul FRN. Este chiar probabil sa se dovedeasca faptul ca o caracterizare detaliata in-situ a elementelor utilizate partial din combustibilul nuclear poate avea ca rezultat cresterea productiei de energie in reactoare cu aceeasi cantitate de combustibil (si implicit de deseuri radioactive). Pe de alta parte, noile scheme de producere de izotopi medicali prin reactii (γ,n) pot la randul lor sa ajunga sa fie relevante din punct de vedere socio-economic. Noile tipuri de surse de neutroni si surse de pozitroni pot deveni de o mare importanta pentru stiintele materialelor si vietii.

In accelerarea ionilor, laserul de mare putere permite producerea de fascicule de ioni de 1015 ori mai dense decat se pot obtine prin accelerarea clasica. Mecanismul de reactie in cascada fisiune-fuziune poate fi apoi folosit pentru producerea in premiera de nuclee grele bogate in neutroni. Aceste nuclee permit investigarea punctului de asteptare N = 126 pentru procesul-r in nucleosinteza. Cu acest tip de mecanism de accelerare laser se pot aduce contributii semnificative la una dintre problemele fundamentale ale astrofizicii, producerea de elemente mai grele decat fierul in univers. Conform unui raport recent emis de National Research Council of the National Academy of Science (SUA), originea elementelor grele ramane una dintre cele mai importante 11 intrebari ramase fara raspuns ale fizicii moderne. Fasciculul γ poate de asemenea oferi acces catre cercetari menite sa deschida multe noi posibilitati de aplicatii. Fasciculele γ sine pot fi utilizate pentru a afla distributia izotopilor materialelor nucleare sau deseurilor radioactive, de la distanta, prin intermediul masuratorilor de rezonanta de fluorescenta nucleara (NRF). In cazul energiilor mai joase, in jur de 100 keV, rezolutia ridicata a fasciculului este foarte importanta pentru analiza structurala a proteinelor. In plus, vor fi produse fascicule de neutroni si pozitroni intense de joasa energie , care ofera acces la noi domenii in stiinta materialelor si stiintele vietii. Posibilitatea studierii aceleiasi tinte cu aceste fascicule foarte diverse va deschide noi domenii stiintifice.

Lowering the target thickness, we will go across different acceleration regimes, from TNSA (Target Normal Sheath Acceleration) to RPA (Radiation Pressure Acceleration). This along with laser intensity tuning will allow to investigate the scaling laws of those mechanisms up to the unprecedented laser intensity of 1023 W/cm2, where we should see some QED effects coming into play.

Other research areas of interest are the study of quantum radiation reaction created by plasma electrons accelerated to GeV energies, and the production of electron-positron pairs in huge abundance and highly energetic gamma-rays emerging from the laser pulse interaction with electrons.

Applications are also envisaged for the unique laser pulses generated at ELI-NP: the degradation of materials used in building the next generation of particle accelerators and fusion or fission reactors, or the interaction of biological systems with a multi-component ion and photon radiation pattern spanning over a wide range of energies (relevant for improving biologic radioprotection in space missions, and potentially for radiotherapy and diagnostics of cancers).

2x

PW Lasers

0

International Scientific Collaborations

>

Research Scientists

Experimental Setups

m2

green facility heating and cooling exclusively provided by GSHP system

Fasciculul γ va avea proprietati unice in lume si va deschide noi posibilitati pentru spectroscopia de inalta rezolutie la energii inalte de excitare. Aceasta va duce la o mai buna intelegere a structurii nucleare si descoperirea unor noi proprietati fluctuante in timp si energie. Investigarea detaliata a rezonantei dipolare de tip "pygmy" peste si sub pragul emisiei de particule este esentiala pentru nucleosinteza, de importanta capitala in astrofizica.

The γ beam also opens many new possibilities for applications. The γ beam itself can be used to map the isotope distributions of nuclear materials or radioactive waste remotely via Nuclear Resonance Fluorescence (NRF) measurements. At lower energies, around 100 keV, the high resolution of the beam is very important for protein structural analysis. In addition, low energy, brilliant, intense neutron beams and low energy, brilliant, intense positron beams will be produced, thus opening new fields in material science and life sciences. Studying the same target with these very different brilliant beams, which will now be available for the first time, will advance science considerably. The project to develop techniques for remote characterization of nuclear materials or radioactive waste via NRF is likely to bring important socio-economic benefits.

Another important application is related to the research hypothesis that a detailed in-situ characterization of partially used reactor fuel elements may result in producing more usable energy in reactors for the same amount of radioactive waste. Furthermore, the new production schemes of medical isotopes via (γ, n) may improve current medical practice and bring significant socio-economic benefits.

Likewise, the new types of neutron sources and positron sources developed at ELI-NP can generate important developments in material and life sciences. Compared to former γ facilities, the much improved bandwidth is decisive for this new γ beam facility. Several experiments, like the parity violation experiment, only become possible due to this much better bandwidth. The large majority of γ beam experiments will profit proportionally from the better bandwidth because the widths of the nuclear levels studied are significantly smaller than the width of the beam.