Avanzamento del progetto LUNA-MV e misura della 13 C( ,n) 16 O a LUNA400 Paolo Prati Dipartimento di Fisica e Sezione INFN - Genova RN e Spokesperson della Collaborazione LUNA

Thanks to the C beam, experiments in inverse cinematic will be possible Il nuovo acceleratore LUNA-MV (by HVEE) 0.2 < Terminal Voltage < 3.5 MV

- Terminal voltage Ripple (Rms) : V Il nuovo acceleratore LUNA-MV (by HVEE)

LUNA-MV LUNA MV will be installed in the North part of Hall B of LNGS The area so far allocated to ICARUS will be cleared within summer 2016

LUNA-MV Finanziamento MIUR tramite due progetti premiali per un totale di 5.3 M€

The LUNA400 machine could be relocated on the LUNA-MV roof in the future… Sala controllo et al: 50 m 2 per 4 piani, h = 12 m

LUNA-MV: neutron shielding First design of a 80 cm thick concrete shielding has been performed by GEANT4 & MCNP E n = 5.6 MeV, n/s, isotropic «conventional» n LNGS = n/cm 2 s  max ≈ 1/5 LNGS bck.

LUNA MV: cronoprogramma Hall B clearing 15 Aprile 2016 : ultima firma sul contratto INFN-HVEE Progetto preliminare edificio LUNA-MV : aprile/maggio Gara per edilizia : Giugno 2016 Primo esperimento: fine 2018 – inizio 2019

Programma scientifico LUNA MV (2019  ) 13 C( ,n) 16 O: enriched 13 C solid or gas target. Neutron detector Data taking at LUNA 400 kV in Ne( ,n) 25 Mg: enriched 22 Ne gas target. Neutron detector. 12 C( ,  ) 16 O: 12 C solid target depleted in 13 C and alpha beam or  jet gas target and 12 C beam. 12 C+ 12 C: solid state target. Gamma and particle detectors Commissioning measurement: 14 N(p,  ) 15 O. High scientific interest for revised data covering a wide energy range (400 keV- 3.5 MeV). Scientific results of high impact but reduced risk immediately after commissioning phase.

Programma scientifico LUNA MV A full proposal with the program of the first 5 years will be submitted to LNGS-SC and to INFN within summer LUNA is open to new collaborations on the whole program or even on single experiments. In November-December 2016 a workshop will be organized at LNGS both to celebrate the first 25-year period of LUNA (“Silver Moon”) and to present the perspectives for the next decades. The announce will come soon but please refer to me for any information

LUNA and the others Bck.Acceler.Beam intensity ProgramExpected start Notes LUNA LNGSLUNA 400 ~300  A 13 C( ,n) et al., 2017Solid /gas target JUNA ~ 2 OoM better 400 kV – ECR 10 mA ! 25 Mg(p,  ) 13 C( ,n) 12 C( ,  ) Mid Gas target + 3 He tubes in liq. Scint. CASPAR ~ LUNAOld 1 MV 150  A 14 N(p,  ) ? 13 C( ,n) 22 Ne( ,n) Mid 2016 ? Gas target + 3 He tubes LUNA MV LNGS3.5 MV + ECR 1 mA 14 N(p,  ) ? 13 C( ,n) 22 Ne( ,n) 12 C( ,  12 C  12 C 2019 ? Starting from 2016 LUNA will be no more alone !

LUNA 400 kV new program : a bridge toward LUNA MV 2 H(p,  ) 3 He – 2 H production in BBN (high-efficiency BGO- phase completed-high resolution HPGe phase on the way) 22 Ne( ,  ) 26 Mg – competes with 22 Ne( ,n) 25 Mg neutron source (LUNA MV) 13 C( ,n) 16 O – neutron source (LUNA MV) 6 Li(p,  ) 7 Be – improves the knowledge of 3 He( ,  ) 7 Be key reaction of p-p chain (LUNA MV) 12 C(p,  ) 13 N and 13 C(p,  ) 14 N – relative abundance of 12 C- 13 C in the deepest layers of H-rich envelopes of any star WG avviato Sept.15, coord. A. Formicola

13 C( ,n) 16 O : impatto astrofisico The reaction takes place in thermally pulsating, low-mass, Asymptotic Giant Branch stars at Gamow energies E = keV (T = K). The cosmic creation of roughly half of all elements heavier than iron, occurs in AGB stars, where the neutrons necessary to drive the slow neutron- capture (s) process are released by the 13 C( ,n). Radiativ: i.e inter-pulse  lower n density Convective: i.e partially in-pulse  higher n density

13 C( ,n) 16 O : letteratura

13 C( ,n) 16 O : estrapolazione al picco di Gamow Requirements astrofisici: incertezza S(E) < 10%

Elab [keV] Ecm [keV] Rate [neutr/h] Rate [neutr/h]    at/cm 2 N t = C( ,n) 16 O : tasso di reazione atteso Arricchimento bersaglio in 13 C: 99%, I  = 200  A ≈ 1-2 mesi Beam time se bck =0

13 C( ,n) 16 O : la misura a LUNA400 (e poi a LUNA-MV) I due esperimenti sono collegati: poiché a LUNA400 non si potrà verosimilmente raggiungere l’interno del picco di Gamow, un unico data-set con set-up identico o molto simile che si estenda oltre la risonanza a E cm ≈ 800 keV è indispensabile per l’estrapolazione a bassa energia tramite fit R-matrix. Il problema sperimentalmente più complesso è quello del bersaglio, sia esso solido o gassoso Il rivelatore di neutroni deve naturalmente avere alta efficienza (Q~2.22 MeV ) ma soprattutto bassissimo fondo intrinseco e fattore di reiezione della radiazione  il più elevato possibile

13 C( ,n) 16 O: rivelatori di neutroni  di rivelazione 55% 25% Nota: il rivelatore di Notre Dame University (che fino a luglio 2015 si pensava di poter avere in prestito) è simile a quello di Drotleff con  ≈ 40%

13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA Lamine (spessore mm) di scintillatori ZnS( 6 Li) accoppiate a wavelenght shifter. Poco sensibili ai  ma una analisi PSD è indispensabile per i rate attesi a LUNA. in progress.

13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA Possibilità di usare celle di BC501A parzialmente disponibili a Bari e soprattutto di esplorare la risposta dei BC-523A (dopati con 10 B, costo circa 10 k€ a cella…) LUNA: underground test facility…

The simulation is optimized to get the detector working in the energy range between 0 and 5 MeV. 20 stainless tubes diameter of 1 inch and at a pressure of 4 atm. 2 MeV is about 30 % Tubes are inside a polyethylene cube of 40 cm x 40 cm x 40 cm 13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA 3 He-tubes «ND like»

The simulation is optimized to get the detector working in the energy range between 0 and 5 MeV. 15 stainless tubes diameter of 1 inch and at a pressure of 4 atm. 2 MeV is about 25 % Tubes are inside a polyethylene cube of 40 cm x 40 cm x 40 cm 13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA 3 He-tubes 15 det.

Efficiency studies have been done with 4 atm 3 He pressure due to initial concerns about possible pressure loss over the lifetime of the experiment. We recently obtained a quote for counters with 10 atm of 3 He pressure. The manufacturer remarked the following on the stability: “Reuter- Stokes has manufactured many thousands of 3 He detectors in our history. We recently looked at statistics in order to determine detectors lifetime. It seems like our MTBF is over 750 years. This implies that 3 He leakage is less than minimal, and your detectors will last for many decades without any performance loss.” Efficiency will increase by about 30 %, considering the same geometry when going from 4 atm to 10 atm. 13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA  > 40% con 15 tubi a 10 atm

13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA Con tubi standard ~ 1cnt/counter/hour < /100

13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA 7705 USD = 8367 € (VAT 22% inclusa) 1 pre-amp ≈ 1000 € 9400 € a tubo

13 C( ,n) 16 O: l’esperimento a LUNA400 Bersaglio solido o gassoso ?? Notevoli pro e contro con entrambe le soluzioni: test programmati tra giugno e luglio 2016 a LNL e LNGS

13 C( ,n) 16 O: l’esperimento a LUNA400 Strategia: Ordinare subito due tubi + pre-amp e misurare il fondo ai LNGS (tot: 19 k€  sblocco SJ Sezione di Bari) Definire entro luglio 2016 il set-up sperimentale (tipo di bersaglio e geometria rivelatore) Ordinare entro settembre 2016 i rimanenti tubi ed il resto del materiale: Altri 13 tubi 3 He € Moderatore HDPE (l=40 cm) 4000 € HV e Digitizer € Bersagli € Intervento su LUNA € TOTALE € Richiesta di un finanziamento aggiuntivo di 160 k€ in linea con la revisione del piano triennale di spesa definita a gennaio 2016

13 C( ,n) 16 O: l’esperimento a LUNA400 Strategia: Ricevere entro dicembre 2016 tutto il materiale necessario ( 3 He, moderatore, elettronica) Montare il nuovo set-up nei primi sei mesi del 2017 Iniziare la presa dati a metà 2017 Concludere la presa dati a metà 2018 (circa un anno prima di quanto originariamente previsto) Proseguire per tutto il 2019 con le rimanenti misure del programma LUNA400: 12/13 C(p,  ) e forse 6 Li(p,  ) NB: D(p,  ) e 22 Ne(  ) saranno completate prima dell’inizio della 13 C( ,n)

The LUNA collaboration A. Boeltzig*, G.F. Ciani*, A. Formicola, I. Kochanek, M. Junker, L. Leonzi | INFN LNGS /*GSSI, Italy D. Bemmerer, M. Takacs, T. Szucs | HZDR Dresden, Germany C. Broggini, A. Caciolli, R. Depalo, P. Marigo, R. Menegazzo, D. Piatti | Università di Padova and INFN Padova, Italy C. Gustavino | INFN Roma1, Italy Z. Elekes, Zs. Fülöp, Gy. Gyurky| MTA-ATOMKI Debrecen, Hungary M. Lugaro | Monarch University Budapest, Hungary O. Straniero | INAF Osservatorio Astronomico di Collurania, Teramo, Italy F. Cavanna, P. Corvisiero, F. Ferraro, P. Prati, S. Zavatarelli | Università di Genova and INFN Genova, Italy A. Guglielmetti, D. Trezzi | Università di Milano and INFN Milano, Italy A. Best, A. Di Leva, G. Imbriani, | Università di Napoli and INFN Napoli, Italy G. Gervino | Università di Torino and INFN Torino, Italy M. Aliotta, C. Bruno, T. Davinson | University of Edinburgh, United Kingdom G. D’Erasmo, E.M. Fiore, V. Mossa, F. Pantaleo, V. Paticchio, R. Perrino, L. Schiavulli, A. Valentini| Università di Bari and INFN Bari, Italy NB: in rosso studenti PhD in azzurro post-doc

E beam  50 – 400 keV I max  500  A protons I max  250  A alphas Energy spread  70 eV Long term stability  5eV/h LUNA 400kV accelerator

Fondi Progetto Premiale Il finanziamento complessivo ottenuto con due successivi progetti premiali ammonta a 5.3 M€ Ad oggi è stata impegnata una cifra complessiva pari a circa 3.77 M€, essenzialmente per l’avvio della gara di acquisto dell’acceleratore LUNA-MV e spese di personale (in particolare una posizione quadriennale di Primo Tecnologo) Sottratto l’overhead trattenuto dalla sede centrale, resta disponibile per ulteriori spese una cifra di circa 330 k€, da dedicare esclusivamente a spese di personale. I costi per la costruzione della sala sperimentale schermata che ospiterà l’acceleratore, le linee di fascio e i punti misura saranno coperti da fondi LNGS (già allocati: 0.8 M €). Nel corso del 2016 saranno avviate le procedure per l’assunzione a tempo determinato di personale da dedicare, dopo opportuna formazione, alla gestione degli apparati della facility LUNA-MV e dell’attuale acceleratore LUNA400.

7 k€ con IVA

The importance of going underground… Sun: kT = 1 keV E C ≈ MeV E 0 ≈ 5-30 keV for reactions of H burning kT but also E 0 << E C !! Cross sections in the range of pb-fb at stellar energies with typical laboratory conditions reaction rate R can be as low as few events per month

13 C  n) 16 O radiativ e convectiv e high T and/or fast rate low T and/or slow rate