CYCLOTRON TANDEM EXCYT PRE-INJECTOR ECR SOURCES OUVERTURE CICLOPE CHIMERA MAGNEX PROTON THERAPY 6O° 8O° 2O° O° 4O° I LNS dell’INFN Stato e prospettive Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Laboratori Nazionali del Sud R.Alba Cortona – 14 ottobre 2006

Sommario Gli acceleratori La produzione di fasci esotici Le attività di fisica del nucleo Le attività applicative Il progetto NEMO La road map dei LNS Personale dipendente: ~ 120 unità Ricercatori associati: ~ 90 Utenti: ~ 230/anno Utenti stranieri: ~ 120/anno Tesi: ~ 25/anno LNS: alcuni dati

Tandem da 15 MV Ciclotrone Superconduttore Gli acceleratori dei LNS 4 He 80 MeV/a.m.u. 112 Sn 43.5 MeV/a.m.u. Attività presso gli acceleratori Fisica Nucleare Ricerca applicata interazione di fasci di ioni con la materia biologica danneggiamento di materiali indotto da fasci di ioni Protonterapia di tumori oculari (CATANA)

Struttura Nucleare Possibili studi sperimentali al Tandem: (Lettere di intenti presentate al PAC dei LNS) Reazioni di doppio scambio di carica ( 14 C, 14 O) (Magnex) Processi di transfer di quattro neutroni ( 14 C, 10 C) (Magnex) Esperimenti di “particle spectroscopy” per lo studio del clustering e delle deformazioni associate in isotopi ricchi di neutroni Studio di stati risonanti di isotopi dell’Idrogeno ricchi di neutroni Sviluppo nuovi fasci Tandem: 14 C e 15 N Astrofisica Nucleare Misura di sezioni d’urto di interesse astrofisico (nucleosintesi in AGB e ciclo CNO)

Tandem Ciclotrone I tests di fascio CS sono stati principalmente finalizzati ad aumentare le intensità estratte per raggiungere gli obiettivi della facility per fasci esotici EXCYT Utilizzo dei fasci del Ciclotrone e del Tandem nel 2005

Radial Injection from Tandem Axial Injection from ECR Upgrading of the electrostatic deflectors 500 watt: EXCYT goal Tests di fascio sul Ciclotrone Upgrading del Ciclotrone per aumentare l’intensità dei fasci estratti. Il deflettore elettrostatico è stato interamente ridisegnato per avvicinarsi all’originario goal di EXCYT (500 watt). Recentemente si sono avuti avanzamenti significativi (100  200 watt)

Produzione di fasci esotici: la facility ISOL EXCYT Massima energia: 2.5 ÷ 150 MeV variabile con facilità Bassa emittanza ( <0.5  mm.mrad) e basso spread energetico (DE/E = )

Commissioning dell ’ intera facility con un fascio stabile di 7 Li Operating parameters: V extr = 10 kV, V acc = 100 kV, V 0 =7 MV CEC

Primary beam power Measuredo n LEBI 1 CEC (10 keV) Through the platforms Through the 2 nd stage At the Tandem entrance Through the Tandem 101 watt Li + 3.4% Li - 100% pps 90% pps 80% pps 10% pps Li watt Li Li pps pps pps pps La produzione di 9 Li non è stata misurata al massimo della resa Trasporto del 8 Li e post-accelerazione con il Tandem La trasmissione attraverso il Tandem non è stata ottimizzata. I tests con fascio stabile indicano che si possono raggiungere valori intorno al 30-40% operando sull’ottica della linea di accoppiamento separatore - ingresso tandem  necessario miglioramento della diagnostica.

1)Individuazione di un fascio primario diverso: buon candidato il 9 Be ma difficile da produrre al CS con alte intensità 2)Incremento della intensità del fascio primario per raggiungere il valore di progetto (500 W) 3)Nuovo disegno e materiali (schiume, fibre,…) per il complesso bersaglio sorgente Attivit à di R&D per aumentare le intensit à

Primo fascio: 8 Li Produzione attraverso la reazione: 13 C+ 12 C a 45 MeV/amu L’intera facility è stata testata Con 147 Watt di fascio estratto dal CS si sono ottenute (tests di luglio 2006) intensità di circa pps all’uscita dal Tandem (incremento di circa un fattore 3 facilmente ottenibile ottimizzando la trasmissione attraverso il Tandem) Obiettivo di progetto: 500 Watt di fascio estratto dal CS  work in progress Entro il 2006 si prevede di effettuare gli esperimenti approvati dal Comitato Scientifico dei LNS con fascio di 8 Li EXCYT: Stato e prospettive

Measurement of the 8,9 Li + 28 Si reaction cross section at near barrier energies to determine the size of the unstable Li isotopes Measurement of the  - 8,9 Li elastic scattering excitation functions in reverse kinematics, aimed at studying backward angle resonances associated with cluster configurations of 12,13 B Measurement of the 8 Li(a,n) 11 B cross section in the c.o.m. energy range from about 1.5 MeV down to the Gamow peak (  0.5 MeV). This is key reaction in the inhomogeneous Big-Bang model. Esperimenti di Fisica Nucleare approvati con il fascio di 8 Li di EXCYT PRIMO esperimento

Programma: misura della sezione d’urto della reazione 4 He( 8 Li,n) 11 B ad energie di circa 0.5 – 1.5 MeV nel c.o.m.- Primo esperimento previsto con i fasci EXCYT Prospettiva: studio delle reazioni in competizione: 8 Li(d,t); 8 Li(d,p); 8 Li(n,  ) Big Bang e nucleosintesi primordiale Homogenous Big-Bang: solo elementi fino al Litio prodotti nella nucleosintesi primordiale Inhomogenous Big-Bang: set molto più ampio di elementi prodotto primordialmente (almeno fino al Carbonio). In questo scenario il percorso verso la nucleosintesi è 1 H(n,  ) 2 H(n,  ) 3 H(d,n) 4 He(t,  ) 7 Li(n,  ) 8 Li( ,n) 11 B(n,  ) 12 B(  ) 12 C. 8 Li half-life= 840 msec chain bottleneck Mizzoi et al. at Ecm= 1.25 MeV  Elab = 3.75 MeV 4 He( 8 Li,n) 11 B cross section ai LNS con fascio di 8 Li prodotto tramite reazioni dirette

7,8,9 Li+ 28 Si Reaction Cross Section measurements at Near-Barrier Energies (A. Musumarra – LNS e Università di Catania) Scopo: porre constraint sui parametri del modello ottico, per i quali, intorno alla barriera coulombiana, ci si aspettano forti differenze tra nuclei debolmente e fortemente legati Tecnica diretta: impiego di un rivelatore al silicio come target attivo e misura dei gamma in coincidenza per distinguere eventi di reazione da quelli di scattering elastico Uno dei primi esperimenti con i fasci di EXCYT: bassa intensità unconditioned  - anticoincidence  -coincidence

gas filled scattering chamber ToF permette di discriminare scattering elastico da inelastico ToF 9 Be gs 9 Be* Esperimenti test 18 O+ 4 He e 9 Be+ 4 LNS. Funzione di eccitazione di scattering elastico 9 Be+ 4 He Studio di clustering nucleare esotico su nuclei leggeri ricchi di neutroni Clustering a-Li in 12,13 B studiato tramite il metodo dello scattering risonante (RSM) su bersaglio gassoso “infinito”in cinematica inversa. Proiezione su asse dei tempi

Produzione di fasci esotici ai LNS: la facility In-Flight FRIB’s Targhetta di produzione La facility è basata sulla frammentazione del proiettile alle energie intermedie I frammenti di proiettile sono selezionati tramite gli elementi ottici della linea di trasporto

Fondamentale per l’utilizzo del fascio secondario prodotto è l’identificazione “tagging” evento per evento effettuata tramite un silicio a 16 strip doppia faccia da 300  m che può sostenere un elevato tasso di conteggi (testato sino a 100 kHz) posto appena prima del bersaglio sperimentale

Primo fascio: 18 Ne utilizzato per esperimenti sullo studio di decadimento per di-protoni del 18 Ne e sulla multiframmentazione di proiettili esotici Reazione di produzione: 45 MeV/A 20 Ne su 9 Be i=50 pnA sulla targhetta di produzione Resa massima di 18 Ne ottenuta: 15kHz Una delle poche facilities in grado di produrre fasci esotici alle energie di Fermi dove si può meglio studiare l’influenza del grado di libertà di ISOSPIN sulla dinamica delle reazioni: interesse manifestato anche da utenti stranieri In corso ottimizzazione del trasporto con interventi sull’ottica delle linee di fascio

L’attività di fisica del nucleo ai LNS Astrofisica nucleare Struttura nucleare Dinamica e meccanismi di reazione alle energie basse e intermedie

Il Trojan Horse Method (THM) permette di studiare la reazione di interesse astrofisico x(A,C)c all’energia di Gamow attraverso la selezione di un’appropriata reazione a tre corpi a(A,Cs)c, indotta ad energie più alte della barriera coulombiana Vantaggi: No effetti di repulsione coulombiana (bassissima energia) No effetti di screening elettronico (nucleo nudo) a A x virtual reaction in nuclear field A + x  c + C quasi free break-up s c C Astrofisica nucleare ai LNS: il metodo Fino ad ora sono state misurate sezioni d’urto di molte reazioni di interesse astrofisico fornendo contributi a problematiche che vanno dalla nucleosintesi primordiale, alla valutazione dell’effetto dello screening elettronico, alla depletion di elementi leggeri e pesanti in ambiente stellare

9 Be(p,  ) 6 Li 2 H( 9 Be,  6 Li)n La reazione 9 Be(p,  ) 6 Li studiata attraverso THM applicato alla reazione 2 H( 9 Be,  6 Li)n  Experiment carried on at LNS  E beam ( 9 Be)=22 MeV & I beam ( 9 Be)=2-5 nA; THM Direct data 2H2H p 9 Be n 6 Li α I II Rilevanza astrofisica: light elements depletion in stellar environment.

Test sul possibile utilizzo del meccanismo quasi free come sorgente virtuale di neutroni 6 Li + n  t + 

Presentato programma assai ricco per il prossimo quinquennio. Alcuni esempi: Nucleosintesi primordiale Nucleosintesi primordiale Nucleosintesi in ambienti esplosivi Nucleosintesi in ambienti esplosivi Bruciamento dell’elio Bruciamento dell’elio Leadership ai Laboratori Nazionali del Sud Ruhr Universität Bochum, Germany CNS, Tokyo, Japan Riken, Japan Cyclotron Institute,Texas A&M University, USA CIAE, Beijing Cina Florida State University, USA Arizona State University, USA Academy of Science,Prague, Czech Rep. Università di Pisa Universidad de Sao Paulo, Brasil GSI, Germany Atomki, Debrecen, Hungary Ruđer Bošković Insitute, Zagreb, Croatia Attività sperimentale presso LNS e laboratori esteri con fasci stabili e no in un’ampia collaborazione internazionale Sviluppi dell’attività

Maximum magnetic rigidity 1.8 T m Solid angle 51 msr E max /E min 1.5 Total energy resolution (target 1 mm 2 ) (90% of full acceptance)  1000 Mass resolution 250 Studi di struttura nucleare: lo spettrometro magnetico MAGNEX I principali elementi  rivelatore di start sensibile alla posizione;  un quadrupolo focalizzante verticalmente;  un magnete di deflessione;  un rivelatore di piano focale che permette di identificare angolo, carica e massa Progettato per misure estremamente accurate con i fasci poco intensi (grande accettanza) e di bassa energia di EXCYT. Può essere utilizzato anche con fasci CS di energia minore di A MeV Ultimato il commissioning con fasci Tandem con pieno raggiungimento dei parametri di progetto. Entrerà in operazione entro il 2006

Bound states in the continuum (BSEC): indicazione di effetti di polarizzazione dinamica del CORE. Studio della evoluzione con la asimmetria di carica N = 4 19 O N = 5 23 Ne N = 6 27 Mg N  + 3 n  8.50* 8.50  7.30  7.30*  6.77 ]  6.4  g.s.  g.s.* C Excitation energy [MeV] Counts Accoppiamento core- particella singola Single particle regime SnSn  0.77* 15 N( 7 Li, 7 Be) 15 C a 55 MeV F.Cappuzzelloet al., EuroPhys.Lett. 65(2004)766 EXCYT: spettroscopia dell’He-8 tramite la reazione 7 Li( 8 Li, 7 Be) 8 He (test di fattibilità approvato dal PAC) La collaborazione MAGNEX INFN-LNS INFN, Sez. Catania Università di Catania INFN, Sez. Milano Università di Milano INFN, Sez. Pisa University of S. Paulo, IFUSP, Brazil GANIL, Caen, France Universitat Giessen, Giessen, Germany NIPNE, Bucarest, Romania IPN-Orsay, Orsay, France GSI, Darmstadt, Germany 7 He, 11 B, 15 C  Orsay Il programma: la reazione di scambio di carica ( 7 Li, 7 Be) come strumento per lo studio della struttura di nuclei esotici

Attività sperimentale con CHIMERA: l’esperimento ISOSPIN -Multiframmentazione e transizione di fase liquido -gas -Effetti di instabilità dinamica (t<50 fm/c) -Studio del termine di asimmetria della EOS CHIMERA: ~1200 rivelatori che coprono angoli polari da 1 a 176 gradi e 360 gradi in  Recente upgrading : identificazione di frammenti tramite l’analisi in forma del segnale dei silici: sensibile riduzione delle soglie di identificazione in carica Nuova possibilità : misura della emissione dal target e possibile impiego con fasci di bassa energia (p.es. EXCYT) Rivelatore con caratteristiche uniche intorno al quale si è coagulato un grande interesse della comunità internazionale che opera nel campo della fisica con ioni pesanti alle energie intermedie

Upgrading di CHIMERA : identificazione di frammenti tramite l’analisi in forma del segnale dei silici: sensibile riduzione delle soglie di identificazione in carica TESTS DI ACQUISIZIONE IN FORMA DEI SEGNALI DEI TELESCOPI DI CHIMERA TESTS DI ACQUISIZIONE IN FORMA DEI SEGNALI DEI TELESCOPI DI CHIMERA DETECT HI p d t 3 He  Li Be Nuove possibilità: misura dell’emissione dal target ed impiego con fasci EXCYT

Time scale of the process: the WClock Esperimento REVERSE TLF PLF Vr1 Vr2 IMF Prompt 1 40 fm/c 2 80 fm/c fm/c La misura dei frammenti target-like è fondamentale per valutare i tempi di emissione degli IMF e la cronologia di emissione. E.DeFIlippo et al Phys. Rev. C71, (2005).

Primo risultato di CHIMERA in configurazione completa: evidenza di effetti di isospin nella taglia dei residui di fusione incompleta popolati nelle reazioni 40 Ca+ 40,48 Ca, 46 Ti a 25MeV/A 40 Ca+ 40 Ca 40 Ca+ 46 Ti M (amu)  (arb. unit) 40 Ca+ 48 Ca F.Amorini et al. – NN2006 Work in progress Studio degli spettri di particelle cariche leggere per valutare le energie di eccitazione; Confronto con i calcoli teorici.

Alcuni possibili sviluppi (dopo il 2007) segmentazione di alcune corone per misure di correlazioni; accoppiamenti con rivelatori esistenti, per lo studio di temi di fisica specifici (per esempio Medea+SOLE ai LNS, rivelatore per neutroni LAND al GSI) La collaborazione internazionale ISOSPIN IPN-ORSAY(FR), GANIL(FR), IPN-LYON(FR), CEA-SACLAY(FR), CEA-CNRS(FR) KATOWICE(PO), CRAKOW(PO), WARSAW(PO) BUCHAREST(RO) ROCHESTER(USA), MSU(USA) IOANNINA(GRECIA) Ricercatori di queste istituzioni hanno presentato proposte di esperimento con CHIMERA presso i LNS e partecipato ai programmi sperimentali proposti dalla parte italiana della collaborazione (CT, LNS, MI, NA, ME). Forte interesse anche da parte di ricercatori italiani esterni alla collaborazione

Seguire la progressiva sparizione della GDR in funzione della energia di eccitazione per estrarre informazioni sulla temperatura limite per l’esistenza del moto collettivo : La sparizione del moto collettivo è stata proposta come una delle evidenze ‘’circostanziali’’ della transizione di fase liquido-gas Possibile sviluppo: dipendenza dall’isospin di questo fenomeno ⇒ uso della parte in avanti di CHIMERA al posto di MACISTE: completa caratterizzazione dei residui in cinematica inversa Studio della evoluzione delle proprietà della GDR in nuclei caldi Collaborazione internazionale con leadership LNS-Orsay preliminare A  D. Santonocito et al., proceedings COMEX 2006 Apparato: MEDEA-SOLE- MACISTE MEDEA 180 BaF 2 detectors 30 0   SOLE Superconducting Solenoid 0 0   6 0 MACISTE Focal plane detector

Le attività applicative ai LNS Protonterapia: la facility CATANA Beni culturali: il laboratorio LANDIS

Patients Total Number (October 2006) 114 Patients with Follow up 82 TUMORAL THICKNESS ECOGRAPHIC REFLECTIVITY Reduced 70% Increased77 % Stable 24% Stable18 % Increased 2% Not evaluable 5 % Not evaluable 2% LOCAL CONTROL 97 % TOTAL SURVIVAL 95 % Status della facility CATANA PATIENTS FOLLOW-UP (March 2002 – July 2005) Un recente accordo tra INFN, Università di Catania, CSFNSM and Azienda Policlinico di stabilisce che si devono svolgere almeno 4 sessioni/anno di protonterapia (4 settimane). Il ciclotrone superconduttore dei LNS è la sola macchina in Italia e nel sud-Europa utilizzata per protonterapia (protoni da 62 MeV) e, in particolare, per il trattamento dei tumori oculari

SC(EN)T a Superconducting Cyclotron for Therapy in grado di accelerare protoni, Li, C con energia massima di 300 AMeV Sviluppo dell’attività: progettazione di approvato dal C.D. dell’INFN il 21 Luglio un accordo di collaborazione con la ditta IBA per la realizzazione del progetto SCENT: responsabilità costruzione del prototipo ai LNS

Il sistema PIXE- alpha ( 210 Po) mentre misura una preparazione in oro in un Pontificale proveniente da Salerno (codice n. 492) La testa del sistema XPIXE-alpha ( 244 Cm); lo spettro si riferisce a misure su particolato atmosferico Righe di elementi leggeri Righe di elementi pesanti BENI CULTURALI: il laboratorio LANDIS e suoi sviluppi LANDIS (Laboratorio di Analisi Non Distruttiva In Situ) è dedicato ad applicazioni di tecniche nucleari al campo dei beni culturali. Tecniche utilizzate: PIXE-alfa, XRF Sviluppo recente: XPIXE-alfa

Metodo non distruttivo per determinare la composizione chimica di una regione limitata all’interno delle monete antiche.  (a.u.) LNS Tandem proton beam E inc =22 MeV E  =1115keV 65 Zn production E p =22MeV Cu Sn Cu Sn ……….. Cu  ………500  m Protoni da circa 20 MeV inducono attivazione solo all’interno delle monete (sezioni d’urto risonanti) minimizzando il contributo dovuto a patine superficiali. E’ così possibile determinare il contenuto reale dell’elemento cercato mediante analisi per attivazione.

Towers with optical sensors Deep sea site (≈3500 m) to shield the background cosmic radiation muon Cherenkov radiation neutrino I neutrini di alta energia prodotti in sorgenti astrofisiche lontane possono giungere sulla Terra senza subire deviazioni. Costituiscono, quindi, una sonda praticamente indisturbata per lo studio delle sorgenti che li hanno prodotti. Le stime sui flussi di neutrini di alta energia impongono rivelatori con dimensioni dell’ordine di 1 km3. La soluzione tecnica percorribile è quella di un rivelatore Cherenkov in un mezzo naturale trasparente (acqua o ghiaccio) Astronomia con neutrini di alta energia: il progetto NEMO

Shore station Electro-Optical cable Km3 detector Un telescopio sottomarino per neutrini di alta energia

Studio di fattibilità per il rivelatore km3 Architettura del rivelatore Ridurre il numero delle strutture per limitare il numero di connessioni Modularità “Torri” con distribuzione non omogenea dei sensori 81 torri da 16 piani (circa 750 metri)

Validazione delle tecnologie proposte per la realizzazione ed installazione del telescopio da 1 km 3 Realizzazione di un sistema comprendente tutti gli elementi chiave Installazione a 2000 m di profondità presso il Test Site Sottomarino dei Laboratori Nazionali del Sud al largo del porto di Catania Realizzazione di una stazione a 3500 m di profondità sul sito di Capo Passero OBIETTIVI -Realizzazione di una infrastruttura sottomarina a 3500 m di profondità sul sito di Capo Passero -Test delle procedure di installazione a 3500 m -Installazione di una torre di 16 piani -Monitoraggio a lungo termine del sito STATO -Acquistato un edificio, sulla banchina del porto di Portopalo. Iniziati i lavori di ristrutturazione per adibire l’edificio all’utilizzo come stazione di terra -Deployment del cavo nell’estate 2007 Il progetto NEMO Fase 2 Il progetto NEMO Fase 1

Scelta del sito Il sito di Capo Passero individuato e studiato dalla collaborazione NEMO presenta caratteristiche ottimali per l’installazione del km3 Studio di fattibilità e progetto preliminare Lo studio di fattibilità effettuato ha dimostrato che un rivelatore km3 può essere realizzato ad un costo di circa 100 Meuro Validazione delle tecnologie per la realizzazione del km3 Le tecnologie di realizazione ed installazione saranno validate con la realizzazione del progetto Fase-1 nel 2006 e di Fase-2 nel 2007 Sviluppi futuri Design Study (KM3NeT) per il km3 finanziato dall’EU Costruzione del rivelatore … NEMO: stato e prospettive

Completamento di NEMO Fase 1 Completamento di NEMO Fase 2 KM3NeT Costruzione del km3 Il costo per la realizzazione del km 3 nella configurazione NEMO (81 torri) è stimato in circa 100 M€ escluse le infrastrutture a terra e il cavo Infrastrutture a CP Tempi di realizzazione e costi del km3

Roadmap LNS Telescopio Cherenkov km3 per la rivelazione di neutrini di alta energia Realizzazione di una facility unica al mondo nel campo della fisica astroparticellare La struttura sarà anche un laboratorio sottomarino multidisciplinare EXCYT II Realizzazione di una facility di livello intermedio per fasci radioattivi per lo sviluppo dei programmi di fisica nucleare, basata su un nuovo ciclotrone che possa sostituire il ciclotrone superconduttore come primario in EXCYT (possibile derivazione di SCENT) Sviluppo di ciclotroni per terapia con ioni BUDGET!?!?!?