Re-writing nuclear physics textbooks: an experimental view Alessia Di Pietro INFN-Laboratori Nazionali del Sud

I nuclei possono presentarsi in varie forme Il modo in cui i nuclei interagiscono nella collisione con altri nuclei DIPENDE dalla loro struttura. Poiché nuclei “esotici” possono presentare strutture molto particolari (es. aloni nucleari) l’effetto sul processo di reazione può anch’esso essere molto particolare.

halo vs normal nucleus Piccola energia di legame (si spaccano facilmente) Lunga coda nella distribuzione di densità (l’interazione nucleare può avvenire a distanze maggiori che in nuclei normali) Più bassa barriera Coulombiana (grande raggio) maggiore probabilità di trasferimento dei nucleoni di valenza Halo nucleus Normal nucleus 10Be+64Zn Si osservano grandi differenze nelle sezioni d’urto dei vari processi di collisione tra i nuclei “normali” ed i nuclei “esotici”. Il processo più semplice di collisione tra due nuclei è la diffusione elastica. Ecco cosa si osserva quando si misura la sezione d’urto elastica per un nucleo halo e non-halo su uno stesso bersaglio: 11Be+64Zn

Reazioni indotte da nucli con halone Piccola energia di legame (si spaccano facilmente) Lunga coda nella distribuzione di densità (l’interazione nucleare può avvenire a distanze maggiori che in nuclei normali) Più bassa barriera Coulombiana (grande raggio) Maggiore probabilità di trasferimento dei nucleoni di valenza

Cos’è una sezione d’urto? Come si misura? Per studiare gli effetti di struttura sui meccanismi di reazione occorre misurare la sezione d’urto per i vari processi di reazione. Cos’è una sezione d’urto? Come si misura? Data la reazione a+A  b+B, dove: a=nuclei proiettile (fascio incidente in particelle  s-1) A=nuclei bersaglio per unità di area (atomi  cm-2) b,B=prodotti della reazione (particelle  s-1) Sezione d’urto totale per un dato processo Nb q,f DW [sr] ia NA distribuzione angolare Di tutte le particelle emesse solo una frazione raggiunge il rivelatore

distribuzione angolare q distribuzione angolare Esempi di sezioni d’urto: funzione di eccitazione s(E) sezione d’urto doppio differenziale

Ingrediente n.1 il Fascio Radioattivo Cosa serve per realizzare un esperimento di Fisica Nucleare con fasci Radioattivi? Ingrediente n.1 il Fascio Radioattivo ISOL facility in Italia SPES @ Laboratori Nazionali di Legnaro In-Flight facility in Italia FRIBS @ Laboratori Nazionali del SUD

Ingrediente n.2 Bersagli Ingrediente n.3 Rivelatori

Rivelatori di particelle cariche:principio di funzionamento n-type Si p-type Si + - A- D+ depletion region to preamplifier +HV - D+ donor A- acceptor + + Impiantando nel cristallo di Si un atomo del III gruppo (es. B) un e di valenza del Si viene lasciato senza un partner (accettore). Il legame verra’ saturato da un e di conduzione creando nel reticolo uno ione B-. Impiantando nel cristallo di Si un atomo del gruppo V (es. As), l’ e di valenza dell’ As poco legato è libero di muoversi nella banda di conduzione, lasciando nel reticolo cristallino uno ione As+ (donor). Poichè i portatori di carica nella regione “donore” sono gli e, il cristallo è chiamato “n-type”. Viceversa, poichè i portatori di carica nella regione “accettore” sono le lacune, il cristallo è chiamato “p-type”.

DE-E: tecnica del telescopio He Li Be B C DE E Stopping power z =carica della particella incidente v= velocità della particella incidente N=atoms/cm3 dell’assorbitore Z=numero atomico dell’assorbitore

elettronica per il trattamento dei segnali dei rivelatori Ingrediente n.4 elettronica per il trattamento dei segnali dei rivelatori Ingrediente n.5 Sistema di acquisizione, storage e visualizzazione dati on-line

L’ingrediente FONDAMENTALE gli Studenti. La ricerca si mantiene in vita solo se vi è interesse nelle giovani generazioni.

Problemi sperimentali (e possibili soluzioni) in esperimenti con RIBs RNBs hanno bassa intensità (i≈ 103-109 pps) confrontata con quella dei fasci stabili (i1010 pps) e alto fondo (principalmente b) proveniente dal decadimento del fascio. Per effettuare un esperimento in un tempo ragionevole (tipicamente 7-10 giorni) è necessario dotarsi di sistemi di rivelazione di grande efficienza (grande angolo solido) ed in alcuni casi utilizzare tecniche sperimentali “intelligenti”. È necessario gestire alti rate di fondo (alto tempo morto). È necessario ridurre gli eventi di diffusione elastica che generano buona parte del fondo (importante specialmente in esperimenti a bassa energia). È necessario aumentare la granularità del rivelatore. Anche esperimenti “semplici” ( es. misura della diffusione elastica) possono risultare estremamente difficili.

Necessaria flessibilità dell’apparato a seconda delle necessità sperimentali! DSSSD telescopes @ Catania TUDA @ TRIUMF SHARC to be coupled to g-array TIGRESS @ TRIUMF

Sorgenti di fondo e problemi correlati. Fondo proveniente dal decadimento del fascio: p-rich: b+ typical energy 1-3 MeV 0.511 MeV g from e+e- g from de-excitation after b+ decay n-rich: b- typical energy 1-3 MeV from de-excitation after b- decay  Probabilità di decadimento del fascio in-flight  piccola (non è un problema).  Particelle diffuse elasticamentele pareti della camera di reazione sorgenti attive di fondo. Eg. 13N @ 50 MeV i≈ 1  108 pps on 12C target q=5° ~ 1 104 ions  cm2/s at 10 cm q=10° ~ 7 103 ions  cm2/s at 10 cm q=20° ~ 5 ions  cm2/s at 10 cm  Pozzo di spegnimento del fascio.  Collimatori di fascio posti lungo la linea.

Come interagiscono i b in un rivelatore a stato solido? Range a I/I0 t a Exponential range b I/I0 b t e backscattering probability 0.1 0.2 0.3 Range di b da1-2 MeV ~ 4-5 mm in Si Quanta energia perdono in es.eg. 300mm Si? b da1-2 MeV s perdono ~100keV -HV b p+ n+ Se diffusi elasticamente a 90°possono perdere tutta la loro energia

Come interagiscono nel rivelatore i g da 511 keV ? Radiazione di annichilazione da decadimento b+ Compton scattering dominante Come interagiscono nel rivelatore i g da 511 keV ?  e- hn ´ ⇝ 511keV • -HV p+ n+ Energia hn più probabile ~ 400keV Energia e- più probabile ~110 keV Eg. Solo il 7% di g da 511keV interagiscono su 300 mm Si Problemi più seri in rivelatori g al Ge.

Rivelatori di particelle cariche: Nel progettare sistemi di rivelazione per esperimenti con RIBs bisogna tener in considerazione i problemi correlati all’alto fondo ed alla bassa statistica. Rivelatori di particelle cariche: Spessori più piccoli possibile (compatibilmente con le esigenze dell’esperimento). Elevata segmantazione. Grande angolo solido. Double Sided Silicon Strip Detectors independent p+ and n+ strips 19Ne b p+ srtips n+ strips Particelle incidenti sulla superficie frontale producono un segnale in una strip p+ ed in una strip n- . I b diffusi a grandi angoli producono segnale in una strip p+ e in più strips n- . Ref. NIM A262(1987)353, NIM A288(1990) 245

La ricerca con fasci radioattivi ha portato alla luce nuovi fenomeni In conclusione……. La ricerca con fasci radioattivi ha portato alla luce nuovi fenomeni ma tanto altro ancora si deve scoprire. Questo può spettare a voi farlo! Alcune letture utili: G.R.Satchler, Introduction to Nuclear Reactions, ed. Macmillian K.S.Krane, Introductory Nuclear Physics, ed. Wiley G.F. Knoll, Radiation Detectors and Measurements, ed. Wiley P G Hansen A S Jensen and B Jonson, Nuclear Halos, Annual Review of Nuclear and Particle Science Vol. 45: 591-634 Isao Tanihata, Jour. Phys. G. Nucl. Part. Phys. 22(1996)157 Karsten Riisager, Halos and related structures, Phys. Scr. T152 (2013) 014001 Jim Al-Khalili, An Introduction to Halo Nuclei, The Euroschool Lectures on Physics with Exotic Beams, Lecture Notes in Physics Volume 651, 2004, pp 77-112