Misure di Sezioni d’urto di Reazioni Nucleari di Interesse Astrofisico (Esperimento LUNA) Roberto Bonetti e Alessandra Guglielmetti Istituto di Fisica Generale Applicata per la collaborazione LUNA (Genova, LNGS, Milano, Napoli, Padova, Torino, Bochum, Debrecen, Lisbona) Reazioni nucleari all’interno delle stelle Distribuzione Maxwelliana e-E/kT Picco di Gamow t N x N y (vrel ) (vrel )vrel dvrel 0 Effetto Tunnell attraverso la barriera coulombiana e EG E Energia Temperature stellari: sole T6 = 15 K AGB T6 = 90 K E = kT (1 – 8) keV Ec Energia di Gamow per le reazioni di combustione H EG = (6 – 88 keV) Sezione d’urto e fattore astrofisico 1 (E) exp(- 31.29Z1Z 2 /E ) S(E) E Regione del picco di Gamow Fattore di Gamow Fattore astrofisico Sezioni d’urto dell’ordine del picobarn !! Energia Sole Luminosita’ (energia irradiata nell’unita’ di tempo) = 2 ·1039 MeV/s Q-valore (energia liberata da ogni reazione) = 26.73 MeV Rate di reazione (numero di reazioni per unita’ di tempo) = 1038 s-1 Laboratorio sezione d’urto = 10-2 picobarn= 10-38 cm2 efficienza = 10% corrente del fascio = 200 A = 1015 atomi/s spessore equivalente bersaglio = g/cm2 corrispondente a 1017 atomi bersaglio per cm2 Rate di reazione (numero di reazioni per unita’ di tempo) = 10-7 s-1 = meno di un evento al mese Per misurare ad energie stellari e’ necessario ridurre il fondo cosmico Laboratorio Sotterraneo Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics LNGS: riduzione del fondo cosmico 10-6 n 10-3 10-1 Acceleratore da 400 kV: E fascio I max 50 – 400 keV 500 A per protoni E 0.1 keV Ciclo dell’Idrogeno 4p4He + 2e+ + 2 + 26.2 MeV Ciclo p-p p ( p, e e )d Ciclo CNO p( pe , e )d 3 He (3He,2 p) 4He He( , ) 7Be 3 He ( p, e e ) He 85% 4 0.00002% Be ( p, )8B 7 Be (e , e ) 7Li 7 7 Li ( p, ) He 8 4 15% B (e e ) Be 8 8 Be ( ) 4He 0.02% 15N 13C p, b+ 15O 13N b- p, d ( p, )3He 3 p, 12C p, 14N Misura della reazione 3He+3He •Reazione fondamentale nel ciclo p-p •Misurata per energie all’interno del picco di Gamow •Esclusa la presenza di risonanze a bassa energia ”puzzle” dei neutrini solari Ciclo CNO T>1.6 107 K M>1.1 Masse solari Il rate di produzione energetica e’ governato dalla sezione d’urto della reazione 14N(p,)15O che e’ la reazione piu’ lenta del ciclo. Una sua variazione puo’ influenzare: •Il flusso di neutrini dal ciclo CNO •L’eta’ dei cluster globulari Cluster globulari e sezione d’urto di 14N(p,)15O S 14,1 /5 S 14,1 x5 Standard CF88 14N(p,)15O Schröder et al. (1987) Nucl. Phys A factor 10 ! Angulo, Descouvement (2001), Nucl. Phys A fattore 20 circa SDC0(0)=1.55±0.34 keV-b (Schröder) STot(0)=3.20±0.54 keV-b (Schröder) SDC0(0)=0.08±0.06 keV-b (Angulo) STot(0)=1.77±0.20 keV-b (Angulo) Tecniche sperimentali a LUNA Bersaglio solido + Rivelatore HpGe •Misura delle singole transizioni •Bassa efficienza •Alta risoluzione •Distribuzione angolare •Alta densita’ E fascio minima = 140 keV Bersaglio gassoso •Purezza •Stabilita’ + BGO summing crystal •Bassa risoluzione •Alta efficienza •S(E) totale E fascio minima = 80 keV Risultati • Il fattore astrofisico totale della reazione è stato misurato direttamente fino a 70 keV con una precisione statistica del 9% e sistematica del 7%. Energia del picco di Gamow per la in diverse tipologie di stelle 14N(p,)15O 14N(p,)15O • Misura diretta di S nel picco di Gamow di RGB e AGB, dove non sono più necessarie estrapolazioni. • Conferma delle estrapolazioni più recenti con S(0) dimezzato rispetto a NACRE. • Gli ammassi globulari sono più vecchi di 0.7 miliardi di anni. • Il flusso dei neutrini solari del ciclo CNO è dimezzato. Progetto in corso: studio della reazione 3He(4He, )7Be John Bahcall e M. H. Pinsonneault, astro-ph/0402114v1, 2004:The rate of the reaction 3He(4He,)7Be is the largest nuclear physics contributor to the uncertainties in the solar model predictions of the neutrino fluxes in the p-p chain. In the past 15 years, no one has remeasured this rate; it should be the highest priority for nuclear astrophysicists.“ Per raggiungere B/B=3% si deve avere S34 / S34 3 % Misure precedenti effettuate con due diverse tecniche sperimentali: valori medi in disaccordo dell’ 11% Misura a LUNA Entrambe le tecniche contemporaneamente e precisione del 5% Target Misura diretta: HpGe Rivelatore HPGe 135% posizionato sotto la camera Schermo di Pb da 0.3 m3 attorno al rivelatore: ci si aspetta un’attenuazione di un fattore 105-106 per da 1.6 MeV Fascio di 4He e bersaglio di 3He con sistema di ricircolo per minori contaminazioni Correzione per effetti di riscaldamento del bersaglio indotti dal fascio Misura di I* tramite scattering Rutherford Misura di attivazione: I nuclei di 7Be prodotti dalla reazione vengono raccolti e se ne misura l’attivita’ “off-line” con un rivelatore HpGe 125% completamente schermato Grazie alla soppressione del fondo di muoni del LNGS (10-6) e allo schermo di Pb il fondo nella regione di interesse ( 480 keV) e’ circa 2 conteggi/giorno Dopo un giorno di irraggiamento con I= 200 A e p= 1 mbar ci si aspetta: E cm = 160 keV n = 320 eventi/settimana Si puo’ ottenere la precisione desiderata
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