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Electron screening nel laboratorio Francesco Raiola Ruhr Universität Bochum V Riunione Nazionale di Astrofisica Nucleare Sala Polifunzionale di Teramo.

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Presentazione sul tema: "Electron screening nel laboratorio Francesco Raiola Ruhr Universität Bochum V Riunione Nazionale di Astrofisica Nucleare Sala Polifunzionale di Teramo."— Transcript della presentazione:

1 Electron screening nel laboratorio Francesco Raiola Ruhr Universität Bochum V Riunione Nazionale di Astrofisica Nucleare Sala Polifunzionale di Teramo reazioni nucleari nelle stelle effetto di electron screening approccio sperimentale nuovi risultati sperimentali Aprile 2005

2 Reazioni termonucleari nelle stelle

3 particelle carichebarriera coulombiana effetto tunnel E kin ~ kT (keV) E coul ~ Z 1 Z 2 (MeV) nuclear well Coulomb barrier V rr0r0 kT ~ 8.6 x T[K] keV T ~ 15x10 6 K (ex. nel Sole) kT ~ 1 keV T ~ K (Big Bang) kT ~ 2 MeV energia disponibile: da moto termico Reazioni termonucleari nelle stelle: particelle cariche reazioni procedono per EFFETTO TUNNEL probabilitá tunneling P exp(-2 ) durante quiescent burnings: kT << E c GAMOW factor (E) = exp(-2 ) S(E) (solo per s-waves!) origine non-nucleare FORTE dipendenza dallenergia origine nucleare DEBOLE dipendenza dallenergia Definizione del FATTORE ASTROFISICO S(E) (reazioni non risonanti!)

4 misura di (E) in un intervallo di energia abbastanza grande, quindi ESTRAPOLAZIONE dei dati fino al picco di Gamow E 0 ! CROSS SECTION Procedura sperimentale: LOG SCALE misure dirette E0E0 E coul Coulomb barrier (E) non-risonanza risonanza necessaria estrapolazione ! molti ordini di grandezza Approccio sperimentale: estrapolazione

5 ErEr INCERTEZZA NELLESTRAPOLAZIONE ! processi non risonanti interaction energy E estrapolazione misure dirette 0 S(E) LINEAR SCALE S(E)-FACTOR -E r risonanza sotto-soglia coda a basse energie di una larga risonanza Approccio sperimentale: estrapolazione

6 SOLUZIONI ALTERNATIVE Go UNDERGROUND riduzione del fondo (cosmic back.) es.: LUNA facility Uso di metodi INDIRETTI (THM, Coulomb dissociation) LIMITAZIONE INTRINSICA A basse energie (poche decine di keV) ELECTRON SCREENING EFFECT Approccio sperimentale: estrapolazione

7 Effetto di electron screening

8 nei laboratori terrestri: interazioni tra ioni (proiettili) e atomi o molecole (bersaglio) (E) = S(E) exp(-2 ) penetrazione della barriera coulombiana per nuclei NUDI RnRn RtRt Coulomb potential EcEc 0 E nudo schermato E + U e RDRD nel plasma stellare: ioni in un mare di elettroni Raggio di Debye-Hückel R D ~ (kT/ ) ½ U e = potenziale di electron screening Approccio sperimentale: electron screening Similarmente:

9 f plasma (E) = plasma (E) bare (E) (E) screened bare E fattore di accrescimento della cross-section: Approccio sperimentale conoscenza necessaria f lab (E) miglioramento del calcolo di f plasma (E) Però: electron screening nel lab. DIVERSO dallelectron screening nel plasma PROBLEMA: U e sperimentale >> U e teorico exp(-2 (E+U e )) exp(-2 (E)) S (E+U e ) E+U e = E S b (E) f(E) exp( Ue/E) 1 tipicamente: U e << E

10 MODELLO STATICO potenziale elettrostatico dovuto alla nuvola elettronica U e = Z 1 Z 2 e 2 /R a MODELLI DINAMICI due casi limite limite impulsivo limite adiabatico v p >> v e proiettile elettrone(i) orbitale minima energia trasferita dal moto elettronico a quello nucleare v p << v e proiettile elettrone(i) orbitale massima energia trasferita dal moto elettronico a quello nucleare Approccio teorico R a = raggio atomico Ad energie di interesse astrofisico: LIMITE ADIABATICO: approccio validolimite teorico superiore

11 E 0 bare S(E) S(E) Estrapolazione dei dati ad alta energia screened S(E) fit dei dati sperimentali a bassa energia U e Approccio sperimentale Risultati sperimentali U e sempre maggiore del limite adiabatico !

12 3 He(d,p) 4 He Un esempio Aliotta M. et al.: Nucl. Phys. A690 (2001) 790 PERCHÈ? modelli corretti per U e ? reliable extrapolation for S(E) bare ? corretti valori di stopping powers? theo U e = 120 eV U e = eV exp theo

13 3 He(d,p) 4 He (U e =119 eV) D( 3 He,p) 4 He (U e =65 eV) note [1] Engstler et al. (1988) : eV 66 4 eV S bare (E): fit to Krauss data ( 1987 ) E cm keV [2] Prati et al. (1994) :186 9 eV [1] eV [1]+[2] S bare (E): parametrization - Chulick ( 1993 ) E cm 24 keV - 10 MeV [3] Langanke et al. (1996) :130 8 eV [1] [4] Geist et al. (1999) : S bare (E): parametrization - Chulick ( 1993 ) stopping powers: Golser & Semrad ( 1991 ) eV [1] eV [1] S bare (E): parametrization - Chulick ( 1993 ) + data normalization S bare (E): R-matrix - Geist ( 1999 ) [5] Costantini et al. (2000) :132 9 eV S bare (E): parametrization - Geist ( 1999 ) measured stopping powers = Ziegler LUNA collaboration [6] Aliotta, Raiola et al. (2001) :219 9 eV eV [5]+[6] S bare (E): parametrization - Geist ( 1999 ) measured stopping powers Ziegler Sommario dei risultati attuali

14 Approccio teorico - sperimentale Quale estrapolazione per S bare ?

15 Stopping powers

16 (log. scale) Energy 0 (E) regione astrofisica E (lin. scale) e.g. at E ~ 10 keV E/E 0.2% / 6% 3 He(d,p) 4 He misure a basse energie é necessaria una precisa conoscenza dellenergia dinterazione (E) = S(E) exp(-2 ) Limportanza dello stopping power principale sorgente perdita di energia di incertezza del fascio nel bersaglio

17 valori estrapolati SRIM 2000 dati sperimentali Golser & Semrad ( 1991 ) valori misurati SRIM 2000 stopping power di gas He su D + alte cross-sections + bassi S(E)-factors + bassi valori di U e ! + bassi stopping powers interazione ioni – electroni (ionizzazione & eccitazione) (m d +m e ) 2 4 m d m e E d = EeEe max. energia trasferita (1s 2s ): threshold effect a E d 18.2 keV principale contributo alla perdita di energia:

18 Nuovi Risultati Sperimentali

19 studio sistematico (58 campioni) del potenziale di screening nella D(d,p)t in metalli deuterati Puó uno environment metallico simulare il plasma stellare? Si Ni foil aperture 8 mm x/y wobbling units D + ion beam M x D target Cu pipe -200 V Si LN 2 -cooled turbo pump = 130° P = 2x10 -8 mbar Setup sperimentale Czerski K. et al.: Europhys. Lett. 54 (2001) 449 U e (D-metallo ) ~ volte + U e (D-gas) Studio dellelectron screening per D(d,p)t in bersagli deuterati (Ti,Al,Zr) Procedura sperimentale Kr sputtering impiantazione di D misura del S-factor

20 Idea: quasi-free electrons in a metal could simulate free electrons in stellar plasma (classical picture). Esempio:

21 dipendenza di U e dalla temperatura (Pt, Hf, Ti, Ta) legame tra la solubilitá del deuterio e il potenziale di elect. screening Li 0.2 Pd target U e = 3200 ± 600 [eV] Li >0.2 Pd (in programma) Li 2 WO 4 target U e < 500 [eV] Li pure metal U e = 300 [eV] (da ripetere) LiO 2 circa 90% di 6 Li LiF (in programma) vita media del 7 Be impiantato in metalli (W, dati di Debrecen) Misure in progress…


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