FISICA NUCLEARE roadmap Dinamica dei quarks e degli adroni Transizione di fase nella materia nucleare e adronica Struttura nucleare e dinamica delle reazioni Astrofisica nucleare e ricerca interdisciplinare Programmi in corso e loro evoluzione a breve termine Nuove proposte in fase di sviluppo Interesse scientifico per i nuovi progetti nei Laboratori nazionali roadmap Angela Bracco - Cortona, Ottobre 2006

Dinamica dei Quarks e degli Adroni Lo spin del nucleone (HERMES a DESY, sonda: e- ) Spettroscopia adronica (sonde elettromagnetiche) Ricerca di stati esotici (AIACE a JLAB) Risonanze barioniche, fotoproduzione di mesoni, e loro proprieta’ (CTT a Mainz, GRAAL a Grenoble) Ipernuclei e atomi Kaonici (FINUDA, SIDDARTHA a LNF e LEDA a JLAB)

HERMES Lo spin del nucleone Funzione struttura transversita’ PAX-RD di-hadron azimuthal production with transverse target Lo spin del nucleone Funzione struttura transversita’ preliminary HERMES preliminary MISURA DIRETTA nel 2015? Misura di Δs PAX-RD COSY+CERN polarizzazione degli antiprotoni Non c’e contributo dei quark s

Pentaquark : esperimenti su protone e deuterio Ricerca di stati esotici, spettroscopia adronica… - Reazioni in studio: g p  Q+ K g p  Q+ K- p+ g p  Q++K- - g p  Q+ K0 Pentaquark : esperimenti su protone e deuterio K+n Counts/4 [MeV] AIACE Misura in corso : integrale di GDH a bassi Q2 (<0.05 GeV2/c2) M(nK+) [GeV]  U.L. (95% CL) < 0.5-1.2 nb Momento Magnetico risonanza D+ GRAAL asimmetria nella fotoproduzione di π0 con n quasi libero preliminary Misure di alta precisione fino al 2008 CTT FUTURO : e’ stato approvato l’upgrade in energy a 12 GeV a JLAB

Spettroscopia di ipernuclei 12C(K- ,π-)12C - stop K 12 C JLAB L 12C(e,e’K)12BΛ FINUDA p-Λ state K-MAID Misura sezione d’urto per i diversi stati eccitati SLA 9.34 Missing energy (MeV) LEDA PLB 622 (2005) 35 Rivelatori al Ge in FINUDA Interazione Λ-N nel nucleo : per nuclei medio pesanti serve risoluzione maggiore Δ SΛ SN Test in futuro a LNF T

Na 60 at SPS ALICE at LHC R&D SLHC (per il futuro) Transizione di fase della materia adronica ALICE at LHC Na 60 at SPS R&D SLHC (per il futuro) HADES a GSI (decadimento e+e- a T= 50-100 MeV)

IPER Progressi nello studio della soppressione della J/……… Energie di SPS ….. sono all’ “ONSET” della formazione del QGP Problema aperto: Natura della transizione? IPER Ass. adr. Ass. nucl. l e’ la dimensione trasversa dell’interazione dipende dal volume iniziale della fireball e dall’ energia depositata nella collisione La sovraproduzione di stranezza e la soppressione del charm sono correlate al volume della fireball e all’energia depositata Teoria di F. Beccattini, L. Maiani et… al

Altro Segnale QGP: Perdita di energia partonica nei JET ALICE Altro Segnale QGP: Perdita di energia partonica nei JET Informazione rilevante sulle caratteristiche dello stato formato nelle collisioni di ioni pesanti ultrarelativistiche SPS: cronin RHIC - Au-Au a 200 AGeV: Trigger su una particella di alto pt la correlazione e’ distrutta nella collisione Au+Au jet quenching (perdita di energia partonica) RHIC: cronin+quench LHC: quench LHC: Pb-Pb a 5.5 TeV

HMPID m-arm ZDC TOF /~100 m/ ITS ALICE

alice Piano di lavoro: Maggio 2007 configurazione con : ITS, TPC, HMPID, muon arm, PMD, trigger dets (V0, T0, ZDC, Accorde),.. completi: TRD, PHOS, TOF parzialmente completi L’installazione continuera’ oltre la meta’ del 2007. EMCAL (per i JET) – nel 2010 attivita’ R&D per aumento di luminosita’

Programma in GRID Quarks-gluon Plasma Attivita’ di calcolo ALICE Programma in GRID Attivita’ di calcolo e simulazione e analisi dati ha fatto progressi con la realizzazione di due centri prototipi di TIER2 (Catania e Torino) Primi 2 TIER a CT e To GRID (slice: 2o in ) HMPID Nch(-0.5<<0.5)=8000 TRD TOF TPC ITS 84’210 primary particles PHOS

STRUTTURA NUCLEARE e REAZIONI EXP-INFN Multiframmentazione Equazione di stato Transizione di fase Liquido-gas ISOSPIN 50 MeV/A LNS Fusione, fissione, Viscosita’, Termodinamica Struttura nucleare a temperatura finita NUCLEX Fiesta N2P a LNL E N R G I A Collisioni tra ioni (intervallo energetico ristretto, ma grande varieta’ di ioni) PRISMA MAGNEX EXOTIC struttura nucleare fusione sotto barriera stati debolmente legati e risonanze LNS, LNL Struttura nucleare in condizioni estreme Isospin, T e momento angolare GAMMA 5 MeV/A LNL, GSI, GANIL

ISOSPIN Equazione di stato della materia nucleare: esperimenti con CHIMERA a LNS ISOSPIN Dipendenza dall’isospin di EOS : Rapporto isotopico per framm.leggeri Coll periferiche Energia di simmetria (informazione per stelle di neutroni) Coll. Centrali Correlazione tra la velocita’ dei frammenti : Sonda per identificare la transizione tra emissone pronta e sequenziale Contronto tra 124Sn+64Ni 112Sn+58Ni 160fm/c 300fm/c Esperimenti approvati su : Simmetria di isospin, Produzione di cluster, Termodinamica e tempi di formazione

Nucl-ex GDR LNL-Garfield 132Ce g fasci radioattivi (FAZIA) g T (MeV) Struttura nucleare a temperatura finita e il ruolo della dinamica della reazione Nucl-ex vibrazione dipolare (GDR) sonda la forma dei nuclei a T finita e meccanismi smorzamento LNL-Garfield GDR g b tcdw >>1 adiabatic Onset multiframmentazione Termodinamica R&D strumentazione fasci radioattivi (FAZIA) 132Ce Fluttuazioni Termiche forma g b tcdw >>1 TSF GDR dipende dalla deformazione TSF+ CN T (MeV) Esperimenti con ALPI a LNL 64Ni + 68Zn E LAB = 300-500 MeV Digitalizzazione segnali Sviluppo rivelatore modulare in collaborazione internazionale (ITALIA-FRANCIA)

GAMMA PRISMA-CLARA LNL LNL 36Si rotor La forma dei nuclei ….. GAMMA Spaziatura tra 2+ e 4+ dà informazione sulla forma Studio dei nuclei instabili ricchi di neutroni con N~20 PRISMA-CLARA LNL rotor vibrator LNL 34Mg RIKEN 36S 230MeV + 208Pb 36Si PRISMA Transizione tra regime vibrazionale e rotore tra Si and Mg at N=22 CLARA

58Cr 64Ni 400MeV + 238U qGR = 64o F.Iachello E4+/E2+ = 2.20 E(5) critical point symmetry vibrator to g-unstable rotor F.Iachello From our data the 1057 keV transition is the 4+ → 2+ member of the yrast cascade. Therefore 58Vg.s. is probably 3+, also predicted at low energies.

Rare ISotope INvestigation at GSI Stopped Campaign (exotic beams) 10/2005 – 2007 Test case: 127Sn from 136Xe fragmentation g=0.168 Same values for relativistic fission and projectile fragmentation Spin-alignment is present in both relati-vistic fission and in projectile fragment-ation for high-Z beams. Neutron rich nuclei in heavy nuclei are accessible for moments studies Preliminary results: - Proton radioactivity in 54Ni - Low-lying structure of 86Tc revealed - Isomeric ratios for 206Hg - New Isomers in: 204Au,204Pt,203Pt,189Ta Highest spin isomers ever seen in projectile fragmentation of 148Tb and 147Gd 8+ Isomer in 130Cd waiting point in r-process

Relativistic Coulomb excitation of 68Ni: Search for Pygmy Resonance Does Neutron rich nuclei exhibit a strong (g,n) strength component near particle threshold ? Relativistic mean field approach - Collective vibration of neutron skin - Random phase approximation approach - Non Collective p-h excitation 68Ni ~ 10.5 MeV BaF2 68Ni emission E (CsI) dE (Si) At ECM ~ 10-11 MeV Strength measured with all Rising detectors At ECM ~ 4-6 MeV Strength measured with Miniball Detectors Analysis in progress

EXOTIC LNL Reazioni break-up e trasferimento: nuclei esotici leggeri 17F+208Pb Diffusione elastica e breakup Studio struttura ad alone per protoni LNS EXOTIC MAGNEX COMMISSIONING TERMINATO Misure con fasci radioattivo 8Li prodotto da EXCYT LNL

ASTROFISICA NUCLEARE applicazioni interdisciplinari e fisica fondamentale

Nuclei nell’ Universo : Reazioni nucl. di interesse astrofisico Picco di Gamow 30-500 keV Metodo indiretto del THM (attraverso una reazione a 3 corpi) 9Be(p,a)6Li -Direct data •THM data indiretto diretto ASFIN2 - LNS Sezione d’urto per l’abbondanza del Be LUNA 3He (3He,2p)4He 12C(α,)16O LNGS ERNA Cinematica inversa min =20 fb, con 2 eventi/mese

Upgrade con nuovo ciclotrone LNS EXCYT CS-driver 10/06/2005 Production target ISOL Tandem - post accelerator Upgrade con nuovo ciclotrone

25Mg(p,)26Al 3He(,g)7Be Neutrini solari Q=1.6 MeV LUNA a LNGS Neutrini solari Proprieta’ del nucleo del sole Sezione d’urto fino a 60-70 keV (CM energy) usando fasci di 4He su bersaglio di 3He Reazioni a 100-150 keV (CM energy) via off-line decadimento radioattivo dei nuclei prodotti e raccolti in un catcher errore finale < 5 % Big-Bang 7Li 25Mg(p,)26Al Nucleosynthesis Mg-Al interesse in astronomia per il decadimento gamma del 26Al sezione d’urto a 180-400 keV (CM energy) con rivelatori Ge non sottoterra sezione d’urto a piu’ basse energie con BGO (underground)

FISICA Nucleare applicativa : n_TOF al CERN Misure in actinidi con lunghe vite e i dati sulla reazione 243Am(n,) sono i primi esistenti. Programma sperimentale 2006-2010: Misure su Mo, Ru,. Pd, Fe, Ni, Zn, Se (Stellar Nucleosyntesis e utili per ADS); Sezioni d’urto di cattura su isotopi radioattivi di U, Pa, Am e Cm (utili per la produzione di energia e l’incenerimento di scorie radioattive). Misure con neutroni En = 1eV -250 MeV Spallazione : 20 GeV/c p(PS) su Pb The 240Pu(n,g) reaction First measurement worldwide Mass=10 mg; Activity > 80 MBq! The 243Am(n,g) reaction C12H20O4(6Li)2 Neutron Absorber 10B loaded Carbon Fibre Capsules Neutron Beam

(l’energia di transizione e’ diversa da quella nominale ) Fisica Fondamentale : VIP a LNGS Violazione principio di Pauli n=2 n=1 (l’energia di transizione e’ diversa da quella nominale ) Transizione atomica In Cu 4.5 x 10-28 Misura a LNF : PLB641(2006)18. The VIP experiment has the scientific goal of reducing by four orders of magnitude the limits on possible violations of the Pauli exclusion principle (PEP) for electrons, by measuring the PEP-violating X-ray transition in copper from the 2p to the 1s level, with 1s already occupied by 2 electrons (have energy displaced by ~ 400 eV w.r.t. “normal” transitions”); bring the probability of PEP violation to β2/2<10-30.

ATHENA R&D ( Ge e Bo, Mi ) interazione gravitazionale degli antiatomi ( test del Principio di equivalenza e della CPT ) Misura precisa della transizione atomica 1S-2S per H e anti-H per variazioni di ΔU (pot. grav.) ΔU fornito dall’orbita della terra su un periodo di 3 mesi Precisione minore di 10-12 Intrappolamento Raffredamento Spettroscopia Studio apparato sperimentale Accumulatore positroni Magnete con comb. di magn. permanenti e SC Rivelatore antidrogeno Trappole inserite in un criostato Mantenere accesso ottico Formazione di protonio in una reazione Chimica fra materia e antimateria Comunicato stampa

FUTURO : Obiettivi di fisica Laboratori Nuova strumentazione

FUTUR0 a LNF Programma scientifico DANAE Fisica del K IR Wigglers rf Programma scientifico Fisica del K Fattori di forma del nucleone Deeply bound states Light source Total cross section -γγ physics Energy (cm) (GeV) 1.02 2.4 Integrated Luminosity per year (ftbarn-1) 10 Total integrated luminosity (5 years, ftbarn-1) >50 3 Peak luminosity > (cm-1sec-2) 8.1032 1032 Di interesse per la fisica Nucleare

Perche’ misurare il fattore di forma time-like? Dati esistenti Misurate dalla soglia fino a s~15 GeV2 e+e-→ppbar (ADONE, DM1-2, FENICE, BaBar) ppbar →e+e- (PS135 and PS135 at CERN, E760 & E835 at FNAL) Protone Neutrone solo una misura dalla soglia fino a s=4.4 GeV2 e+e-→nnbar (FENICE) Non esistono dati di polarizzazione (necessari per estrarre la fase relativa tra GE and GM) VEPP2000 BEPC DAFNE2 Ipotesi diverse su GE/GM influiscono fortemente sull’estrazione di GM, soprattutto nella regione di bassa energia Finestra di energia molto adeguata

Deeply bound states con K (AMADEUS-SIDDARTHA coll.) Informazioni riguardanti la modificazione della massa del kaone e dell’interazione K-N nel mezzo nucleare Argomento nuovo e di interesse (esperimenti a GSI e a J-PARC) . indicazioni da FINUDA a LNF Previsioni per la densita’ (dinamica molecolare) Evidenza di un possibile stato legato minv< mp + mΛ Studio di fattibilita’ con KLOE e’ in corso Misure delle larghezze parziali e distribuzioni angolari richiedono alta luminosita’ FINUDA

Implicazioni Astrofisiche La frontiera in struttura nucleare: Il limite della stabilita’ Nucleare SPES a LNL Produzione di fasci radioattivi di seconda generazione con la tecnica ISOL Nuclei ricchi di neutroni con A = 60-160 1012-13 fissioni 108 pps di 132Sn Studio della struttura nucleare di nuclei instabili presenti nelle stelle Implicazioni Astrofisiche proton drip-line Terra Incognita r-Process rp-Process neutron drip-line nucleosintesi nelle supernovae Proton Fe abbondanze r-process waiting points nuclei Neutron

Nuclei lontano dalla valle di stabilita’ Stable nuclei N/Z=1-1.5 Es =6-8 MeV r0 = 0.15 fm-3 Al variare di N/Z varia il potenziale e le densita’ Heff [ ρ, ρ- ] con ρ = densità ρ = ρp + ρn ρ- = ρp - ρn n p Unstable nuclei 0.6 < N/Z < 4 Es ~ 0-30 MeV r > 10-3 r0 La piu’ grande incertezza riguarda la parte isovettoriale o di SIMMETRIA del funzionale energia. n aloni, n skins, pygmy resonances… Nuova struttura a SHELL Nuove simmetrie, forme e coesistenza di forme, stati collettivi e n-skin Energia del primo stato 2+ … 28Ni

FACILITIES per la produzione fasci radioattivi con metodo ISOL : limite della stabilita’ nucleare (n-drip line) SPIRAL2 d-driver fissione con n EXCYT,TRIUMF GANIL,ORNL, REX-ISOLDE LOUVAIN SPES p-driver fissione con p EURISOL upgrading USA RIA >2015 2010-15 2006 104-105 p/s 106-107 p/s 108-109 p/s 1011 p/s Pochi kW 10-20kW 100-200kW 5 MW Sviluppo tecnologia GSI Tecnica FRAMMENTAZIONE >2012-2013 NETWORKING di Facilities Regionali Complementari (LNL e GANIL)

Spettroscopia gamma (AGATA) Dimostratore (5 triple-clusters) 1π Array (15 triple-clusters) g Struttura nucleare in nuclei esotici utilizzando reazioni di diverso tipo Proprieta’ di particella singola Proprieta’ collettive, forme, simmetrie Powerful array in its own right Still to decide where to site Still to decide the key test experiments Il primo “tracking array” Accelatori: SPIRAL2, SPES, HI-Stable, FAIR 1π in operazione dal 2010 Accoppiato a rivelatori ancillari AGATA a 4 π nel 2018 ACQ + on line PSA + γ-ray tracking Collab. Europea a LNL nel 2007 e 2008 Accoppiato a PRISMA

Storage and Cooler Rings GSI Future Facility PANDA Production rate 2x107/sec Pbeam = 1 - 15 GeV/c Nstored = 5x1010 p Internal Target SIS 100/300 Lumin. = 1032 cm-2 s-1 SIS UNILAC FRS Alta risoluzione dp/p ~ 10-5 (electron cooling) Lumin. = 1031 cm-2 s-1 ESR p Target HESR Super FRS Storage and Cooler Rings 100 m CR SIS sincrotrone NESR storage ring for accumulating and collecting ions and antiprotons FRS fragment separator CR Collector Ring for stoachastic cooling of ions and antiproton 1011 stored and cooled 0.8 - 14.5 GeV antiprotons Primary Beams NESR 1012/s; 1.5 GeV/u; 238U28+ Factor 100-1000 over present in intensity 2(4)x1013/s 30 GeV protons 1010/s 238U73+ up to 25 (- 35) GeV/u Secondary Beams p 3 - 30 GeV RIB….

PANDA : Fisica con antiprotoni a FAIR (GSI) ipernuclei Spettroscopia del Charmonio ad alta risoluzione Spettroscopia  su ipernuclei con Λ e doppia Λ Informazioni di struttura e sulla interazione Λ –N e Λ - Λ. Widths e branching di decadimento di tutti gli stati per estrarre informazioni sul confinamento dei quarks Eccitazioni gluoniche Mesoni nel nucleo: modificazione della massa Modificazioni proprieta’ mesoni nel mezzo nucleare e ripristino della simmetria chirale. Ricerca di eccitazioni gluoniche (ibridi, glueball) nella regione di massa (3 – 5 GeV/c2).

periodo 2006-2009 Attivita’ di R&D (350 ricercatori di 14 paesi (46 istituti) ) periodo 2006-2009 Attivita’ di R&D

FUTURO EXP LUNA: spiegare l’ abbondanza di C e O C e O dopo H e 4He sono gli elementi piu’ abbondanti Abbondanze elementi 12C e’ prodotto da 3α La reazione e’ stata studiata fino a 1 MeV Per studiare questa reazione a 500 keV (picco di Gamow a 300 keV) Nuovo Acceleratore di 3-4 MeV (anche per altre reazioni) 12C e’ distrutto da 12C(α,)16O

Previsioni di spesa fino al 2010 Linea 1 : Dinamica dei quarks e degli adroni (121 FTE) Linea 2 : transizioni di fase (179 FTE) Linea 3 : Struttura Nucleare e dinamica delle reazioni (136 FTE) Line 4 : Astrofisica Nucleare (54 FTE) 490 FTE in totale

Conclusioni LABORATORI Attivita’ in corso : svolgimento del programma previsto + R&D per upgrade Attivita’ nuove (priorita’ basate anche sulla maturita’ del progetto e tempistica) AGATA (rivelazione gamma- struttura nucleare) PANDA (fisica con antiprotoni a partire dal 2010) LUNA (nuovo acceleratore dedicato a LNGS) ………..Tempi piu’ lunghi PAX (misura transversita’) LABORATORI SPES a LNL: Fasci radioattivi (A>60) struttura nucleare DANAE a LNF : Fattori di forma + deeply bound states Upgrade di EXCYT (RIB con A<60) per astrofisica e reazioni per equazioni di stato

Nuclear Modification of Leading Part. Spectra? 1. Compare Au+Au to nucleon-nucleon cross sections 2. Compare Au+Au central/peripheral Nuclear Modification Factor: nucleon-nucleon cross section If no “effects”: RAA < 1 in regime of soft physics RAA = 1 at high-pT where hard scattering dominates Suppression: RAA < 1 at high-pT AA <Nbinary>/sinelp+p