A new and improved measurement of 8Li(4He,n)11B The first EURISOL UG topical meeting The formation and structure of r-process nuclei INFN-LNS Catania, 9-11 December 2009 A new and improved measurement of  8Li(4He,n)11B reaction at the EXCYT RIB facility:   the cross section value at astrophysical energies Marco La Cognata INFN-Laboratori Nazionali del Sud, Catania & University of Catania In questa presentazione illustrerò la prima misura effettuata con la facility excyt installata presso i laboratori nazionali del sud di catania. Tale misura ha come obiettivo lo studio della reazione 8Li(a,n)11B per la sua rilevanza astrofisica

A very short review of the r-process R-process  nucleosynthesis of elements heavier than Fe by rapid (r) neutron captures High neutron flux  production of neutron rich nuclei eventually decaying back to the stability valley NEED FOR RIBs! Possible scenarios Neutron star mergers Gamma ray bursts Core-collapse supernovae more likely environment How to constrain the astrophysical site? Analysis of heavy element abundances CROSS SECTIONS NEEDED! Questa va ricercata in primo luogo nell’ambito della nucleosintesi primordiale. La nucleosintesi primordiale rappresenta uno dei mattoni fondamentali per la comprensione del big bang. Gli ingredienti fondamentali del modello standard di bigbang sono (vedi elenco). Inoltre elementi fondamentali sono (vedi elenco). Le osservabili che ci consentono di vincolare il modello standard sono (vedi elenco)

The -process Heavy elements are ejected into space Neutron captures occur on seed nuclei  typical mass number 70<A<120 (e.g 78Ni). How are seed nuclei made? Due to high temperatures photodisintegration dissociates nuclei into +p+n  -process Where does it take place? T 109 K Τ 1s   1010 gcm-3 n 1017 neutrons/cm3 Heavy elements are ejected into space Questa va ricercata in primo luogo nell’ambito della nucleosintesi primordiale. La nucleosintesi primordiale rappresenta uno dei mattoni fondamentali per la comprensione del big bang. Gli ingredienti fondamentali del modello standard di bigbang sono (vedi elenco). Inoltre elementi fondamentali sono (vedi elenco). Le osservabili che ci consentono di vincolare il modello standard sono (vedi elenco)

The role of the 8Li(4He,n)11B in the r-process Two reaction chains link +p+n to heavier nuclei  4He(n,)9Be(,n)12C [three-body reaction!] 4He(t,)7Li(n,)8Li(,n)11B Then seed nuclei are formed by a sequence of -capture reactions starting with: 9Be(,n)12C or 8Li(,n)11B Two competing reaction flow channels for the formation of elements with 40<A<120 and the subsequent r-process nucleosynthesis. 8Li(, n)11B  more efficient production of seed nuclei Larger neutron/seed ratio needed!  increase of the lower limit to the entropy per baryon by about a factor of 2 from previous estimates depending on the nuclear cross sections used in the calculations Constraint on models for r-process astrophysical sites Questa va ricercata in primo luogo nell’ambito della nucleosintesi primordiale. La nucleosintesi primordiale rappresenta uno dei mattoni fondamentali per la comprensione del big bang. Gli ingredienti fondamentali del modello standard di bigbang sono (vedi elenco). Inoltre elementi fondamentali sono (vedi elenco). Le osservabili che ci consentono di vincolare il modello standard sono (vedi elenco)

The role of the 8Li(4He,n)11B in the r-process Two reaction chains link +p+n to heavier nuclei  4He(n,)9Be(,n)12C [three-body reaction!] 4He(t,)7Li(n,)8Li(,n)11B Then seed nuclei are formed by a sequence of -capture reactions starting with: 9Be(,n)12C or 8Li(,n)11B Two competing reaction flow channels for the formation of elements with 40<A<120 and the subsequent r-process nucleosynthesis. 8Li(, n)11B  more efficient production of seed nuclei Larger neutron/seed ratio needed!  increase of the lower limit to the entropy per baryon by about a factor of 2 from previous estimates depending on the nuclear cross sections used in the calculations Constraint on models for r-process astrophysical sites 8Li(,n)11B Questa va ricercata in primo luogo nell’ambito della nucleosintesi primordiale. La nucleosintesi primordiale rappresenta uno dei mattoni fondamentali per la comprensione del big bang. Gli ingredienti fondamentali del modello standard di bigbang sono (vedi elenco). Inoltre elementi fondamentali sono (vedi elenco). Le osservabili che ci consentono di vincolare il modello standard sono (vedi elenco)

The 8Li(4He,n)11B reaction First measurement: T. Paradellis, et al., Z. Phys. A 337 (1990) 211 (indirect!) The cross section of the 8Li(,n)11B reaction has been extracted from the 11B(n,)8Li cross section by means of the detailed balance principle Afterwards several direct measurements have been performed: 11B inclusive R.N. Boyd et al., Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 1283 X. Gu et al., Phys. Lett. B 343 (1995) 31 n inclusive S. Cherubini et al., Eur. Phys. J. A 20 (2004) 355 A. Del Zoppo et al., Nucl. Instr. Meth. A 58 (2007) 783 M. La Cognata et al., Phys. Lett. B. 664 (2008) 157 La reazione 8Li… è stata misurata con diverse tecniche negli ultimi anni. La prima misura è una misura indiretta nella quale la sezione d’urto è ricavata attraverso il principio del bilancio dettagliato dalla 11B+n… le misure successive, dirette, si possono distinguere in tre gruppi… 11B-n exclusive Y. Mizoi et al., Phys. Rev. C 62, 065081 (2000) H. Ishiyama et al., Phys. Lett. B 640, 82 (2006)

Ecco il grafico riassuntivo delle misure eseguite

Lower limit of the cross section From the 11B(n,)8Li  Ground state only Lower limit of the cross section I cerchi indicano la misura indiretta di paradellis, che rappresenta il limite inf della sez perché è sensibile solo allo stato fondamentale

11B Inclusive Le misure inclusive sono effettuate misurando il 11B di rinculo. Esse forniscono una sezione d’urto fino a 19 volte più grande della misura di paradellis

11B-n Exclusive Nelle misure esclusive il 11B e il neutrone sono misurate in coincidenza, accoppiando il target attivo usato nelle misure inclusive con un muro di neutroni. Tali misure, sicuramente più accurate, sono tuttavia molto delicate e l’analisi è molto complessa

n Inclusive  LNS Le misure eseguite presso i laboratori n s sono anch’esse inclusive, ma viene misurato il neutrone emesso nella reazione. Per tale ragione una misura di questo tipo può essere eseguita solo sotto i due MeV, perché solo il canale 11B+n è aperto

n Inclusive  LNS EXCYT In particolare la misura eseguita durante il commissioning di excyt è questa… come si vede il valore misurato è in accordo con quanto determinato dalle altre misure inclusive indipendenti e 4-5 volte maggiore delle misure inclusive. Excyt ha consentito di raggiungere un’altra precisione, inferiore a qualla presentata dalla migliore misura esclusiva

The 8Li(,n)11B reaction at LNS The 8Li(,n)11B reaction at LNS First run: 8Li was produced in flight by means of the 7Li(d,p)8Li Polycube Entrambe le misure eseguite a catania si sono avvalse del rivelatore a moderazione pol… mentre nella prima misura il fascio di 8li era prodotto inflight mentre nel secondo esperimento ci si è avvalsi della facility excyt. Second run: 8Li from the EXCYT facility

EXCYT @ LNS Beam purity 100% Low beam energies CS: primary beam 13C @ 45 AMeV, 75 W 8Li @ 3.15 MeV 200 Hz on the target (4He @ 150 mbar, gas target window = degrader) Primary target 12C e charge exchange cell (eff. 2.2%) First stage of the fragment separator: M/M~2000 Leggere slide Second stage of the fragment separator: M/M~20000 Beam purity 100% Low beam energies Small beam induced background  Ideal for astrophysical applications Low rate couples with the features of the polycube detector

The Polycube detector Thermalization detector 12 3He tubes  neutrons are detected by means of the 3He(n,p)3H reaction No detection threshold High detection efficiency in particular for low-energy neutrons Solid angle ~ 4  no need of any hypothesis on angular distributions Slow detector (τ ~ 100 s  compatible with low intensity beams) No information about the energy of the impinging neutron  non necessary in inclusive measurements with a negligible background Target: 4He gas cell @ 150 mbar. The cell is right at the center of the Polycube detector. The entrance window is of nickel (5 m thick)

The Polycube detector Thermalization detector 12 3He tubes  neutrons are detected by means of the 3He(n,p)3H reaction No detection threshold High detection efficiency in particular for low-energy neutrons Solid angle ~ 4  no need of any hypothesis on angular distributions Slow detector (τ ~ 100 s  compatible with low intensity beams) No information about the energy of the impinging neutron  non necessary in inclusive measurements with a negligible background Polycube detection efficiency (GEANT simulations + 252Cf fission source measurements) Leggere slide

The Polycube detector Thermalization detector 12 3He tubes  neutrons are detected by means of the 3He(n,p)3H reaction No detection threshold High detection efficiency in particular for energy neutrons Solid angle ~ 4  no need of any hypothesis on angular distributions Slow detector (τ ~ 100 s  compatible with low intensity beams) No information about the energy of the impinging neutron  non necessary in inclusive measurements with a negligible background Neutron wall (H. Ishiyama et al., Phys. Lett. B 640, 82 (2006)) Leggere slide Neutron wall (Y. Mizoi et al., Phys. Rev. C 62, 065081 (2000))

Polycube detector response Neutron capture probability /sec is constant  the capture time distribution drops exponentially Two components fast  fast =68 s slow  slow =169 s Why?  Two materials are present, having different density, namely air (in the central channel where the gas cell is) and polyethylene (what the moderator shell is made of) La procedura d’analisi è influenzata dalla risposta del rivelatore. La probabilità di cattura del neutrone per unità di tempo è costante per cui la distribuzione dei tempi di cattura è esponenziale. Tuttavia la distribuzione sperimentale può essere giustificata solo se si ipotizzano due costanti di tempo di cattura, fast e slow. Questo è legato alla presenza di un canale al centro del polycube, che consente l’inserimento del bersaglio. I neutroni che sono stati rallentati e attraversano il canale sono catturati successivamente.

Extraction of the cross section Background effect  Random neutrons They provide a constant term in the neutron capture time distribution: Nella misura effettiva occorre tenere in considerazione la presenza di neutroni scorrelati, che appaiono nelle spettri sperimentali come un fondo piatto. Per mettere in evidenza il segnale, ovvero la presenza dei n dalla reazione 8Li… si può quindi ricorrere alla linearizzazione delle equazioni facendo le seguenti assunzioni…. Per cui lo spettro sperimentale assume la forma… dalle quale si ricava il numero di neutroni correlati e quindi la sezione d’urto The equation can be made linear by setting (this makes the fit easier!) The slope provides the number of neutrons from the reaction 8Li+4He11B+n y= x=

Résumé of the measurement performed @ LNS First measurement: In-flight production 8Li beam from 7Li+d8Li+p 8Li selection by means of ToF High background level I risultati sono riportati qui di seguito. In alto è riportata la misura ottenuta con il fascio di 8Li prodotto in flight. Sebbene il segnale sia chiaro, si nota un fondo molto elevato. La misura porge il valore…

Résumé of the measurement performed @ LNS New experiment: 8Li beam from EXCYT Reduced background Larger statistics In basso è riportata la nuova misura ottenuta con excyt. Come si vede la statistica è aumentata ed il fondo è diminuito di un fattore 5, sino a diventare confrontabile con fondo naturale

Résumé of the measurement performed @ LNS Le misure di fondo sono state ottenute utilizzando un gas target senza 4He e riempiendo…. La linea tratt. Mostra invece il fondo naturale (senza fascio) che quasi coincide col fondo di neutroni scorrelati. La cosa importante è che il fondo è piatto, per cui effettivamente il segnale osservato proviene dalla reazione 8Li+…. E non dal breakup del 8Li sulla finestra. Altri canali sono chiusi alle energie esplorate Background measurements: Gas target with no 4He (the gas cell was filled with Xe to keep the same Efin); beam on Background with beam off

Résumé of the measurement performed @ LNS Cross-check: with the same method the cross section of the 9Be+4He12C+n reaction has been measured, as this is known with good accuracy Great agreement! Come controprova è stata misurata la sezione d’urto della reazione… che è già stata misurata accuratamente. Si trova un ottimo accordo con il dato sperimentale che conferma la validità del presente approccio

Results Results Factor 4 difference between inclusive (11B o n, indipendent) and exclusive measurements In conclusione la presente misura conferma la discrepanza di un fattore 4 tra le misure inclusive ed esclusive, riproducendo i valori ottenuti con la misura nel 11B di rinculo, metodo completamente indipendente dal nostro. Tra l’altro questa discrepanza è importante soprattutto nella regione di interesse astrofisico, per cui una ulteriore discussione della natura della discrepanza è fondamentale Energy region of astrophysical relevance

The origin of the discrepancy 5 Ecm (MeV) 2.04 5.38 10.01 6.63 Present-day exclusive measurements are not truly exclusive as different excited states in 11B cannot be discriminated 12B*  11B+n0, 11B+n1… nmax is fixed by the available energy in the center-of-mass system.  Detection threshold modifies efficiency in a different way for each excited state Una possibile spiegazione proviene dall’analisi delle misure inclusive. Queste non sono ….. . Quindi nell’analisi globale eseguita da ishiyama la correzione per l’efficienza di rivelazione ha trascurato la perdita di neutroni a bassa energia che provengono da reazioni in cui il 11B è lasciato con un’alta energia di eccitazione. In conclusione le misure inclusive attuali sono particolarmente complesse e solo le misure inclusive sono sufficientemente accurate. With present-day apparatus, the detection of fast 11B-n coincidences can show difficulties that require more in-deep analysis Today inclusive measurements are more reliable

8Li(,n)11B reaction kinematics: solid line: max neutron energy for the i-th level of 11B as a function of the 8Li energy in the center-of-mass system dashed line: minimum energy Ecut neutron energy detection threshold ticut corresponding threshold on Ecm ti minimum energy allowing to feed the i-th 11B level

Picut is the fraction of events that, for each level, can exceed the detection threshold Picut depends on the excited state i and on the threshold energy Levels for which i=0-3 (011B ground state) are linked to neutrons of energy high enough to pass the threshold for every Ecm

If the effect of the detection threshold has not been taken into account for each 11B level then Fcut= excl /  Correspond to where fi represents the i-th branching ratio in the decay 12B*11B*+ni Since the sum of the fi is equal to 1, in the region between ti and ticut a minimum in Fcut is expected Good agreement! Our best fit allows us to deduce the relative weight of the 11B levels in the decay 12B*11B*+ni in an energy region unexplored in other experiments

Some bibliography M. La Cognata et al., The Astrophysical Journal 706, L251 (2009) M. La Cognata et al., Physics Letters B 664, 157 (2008) A. Del Zoppo et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 581, 783 (2007) C. Agodi et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 565, 406 (2006) S. Cherubini et al., European Physical Journal A 20, 355 (2004) …and still another work in preparation…