Misure di Sezioni d’urto di Reazioni Nucleari di Interesse Astrofisico (Esperimento LUNA) Roberto Bonetti e Alessandra Guglielmetti Istituto di Fisica Generale Applicata per la collaborazione LUNA (Genova, LNGS, Milano, Napoli, Padova, Torino, Bochum, Debrecen, Lisbona)

Reazioni nucleari all’interno delle stelle Picco di Gamow Energia Probabilità relativa Distribuzione Maxwelliana  e-E/kT Effetto Tunnell attraverso la barriera coulombiana Temperature stellari: sole  T6 = 15 K AGB  T6 = 90 K E = kT  (1 – 8) keV  Ec Energia di Gamow per le reazioni di combustione H EG = (6 – 88 keV)

Sezione d’urto e fattore astrofisico Fattore di Gamow Regione del picco di Gamow Energia Fattore S (scala lin) Sezione d’urto (scala log) Sezioni d’urto dell’ordine del picobarn !!

Laboratorio Sotterraneo Sole Luminosita’ (energia irradiata nell’unita’ di tempo) = 2 ·1039 MeV/s Q-valore (energia liberata da ogni reazione) = 26.73 MeV  Rate di reazione (numero di reazioni per unita’ di tempo) = 1038 s-1 Laboratorio sezione d’urto = 10-2 picobarn= 10-38 cm2 efficienza = 10% corrente del fascio = 200 A = 1015 atomi/s spessore equivalente bersaglio = g/cm2 corrispondente a 1017 atomi bersaglio per cm2  Rate di reazione (numero di reazioni per unita’ di tempo) = 10-7 s-1 = meno di un evento al mese Per misurare ad energie stellari e’ necessario ridurre il fondo cosmico Laboratorio Sotterraneo

Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics LNGS: riduzione del fondo cosmico  10-6 n 10-3  10-1 Acceleratore da 400 kV: E fascio  50 – 400 keV I max  500 A per protoni E  0.1 keV

Ciclo dell’Idrogeno 4p4He + 2e+ + 2 + 26.2 MeV Ciclo p-p Ciclo CNO 85% 15% 0.02% 0.00002% 12C 13N p,g b- 13C 14N 15O b+ 15N p,a Ciclo CNO

Misura della reazione 3He+3He Reazione fondamentale nel ciclo p-p Misurata per energie all’interno del picco di Gamow Esclusa la presenza di risonanze a bassa energia ”puzzle” dei neutrini solari

Ciclo CNO T>1.6 107 K M>1.1 Masse solari Il rate di produzione energetica e’ governato dalla sezione d’urto della reazione 14N(p,)15O che e’ la reazione piu’ lenta del ciclo. Una sua variazione puo’ influenzare: Il flusso di neutrini dal ciclo CNO L’eta’ dei cluster globulari

Cluster globulari e sezione d’urto di 14N(p,)15O S 14,1 x5 Standard CF88

Angulo, Descouvement (2001), 14N(p,)15O Schröder et al. (1987) Nucl. Phys A factor 10 ! Angulo, Descouvement (2001), Nucl. Phys A fattore 20 circa SDC0(0)=1.55±0.34 keV-b (Schröder) STot(0)=3.20±0.54 keV-b (Schröder) SDC0(0)=0.08±0.06 keV-b (Angulo) STot(0)=1.77±0.20 keV-b (Angulo)

Tecniche sperimentali a LUNA Bersaglio solido + Rivelatore HpGe Misura delle singole transizioni  Bassa efficienza Alta risoluzione Distribuzione angolare Alta densita’ E fascio minima = 140 keV Bersaglio gassoso + BGO summing crystal Purezza Stabilita’ Bassa risoluzione Alta efficienza S(E) totale E fascio minima = 80 keV

Risultati Il fattore astrofisico totale della reazione 14N(p,)15O è stato misurato direttamente fino a 70 keV con una precisione statistica del 9% e sistematica del 7%. Energia del picco di Gamow per la 14N(p,)15O in diverse tipologie di stelle Misura diretta di S nel picco di Gamow di RGB e AGB, dove non sono più necessarie estrapolazioni. Conferma delle estrapolazioni più recenti con S(0) dimezzato rispetto a NACRE. Gli ammassi globulari sono più vecchi di 0.7 miliardi di anni. Il flusso dei neutrini solari del ciclo CNO è dimezzato.

studio della reazione 3He(4He, )7Be Progetto in corso: studio della reazione 3He(4He, )7Be John Bahcall e M. H. Pinsonneault, astro-ph/0402114v1, 2004:The rate of the reaction 3He(4He,)7Be is the largest nuclear physics contributor to the uncertainties in the solar model predictions of the neutrino fluxes in the p-p chain. In the past 15 years, no one has remeasured this rate; it should be the highest priority for nuclear astrophysicists.“ Per raggiungere DFB/FB=3% si deve avere D S34 / S34  3 % Misure precedenti effettuate con due diverse tecniche sperimentali: valori medi in disaccordo dell’ 11%

Misura a LUNA Entrambe le tecniche contemporaneamente e precisione del 5% Target Misura diretta: HpGe Rivelatore HPGe 135% posizionato sotto la camera Schermo di Pb da 0.3 m3 attorno al rivelatore: ci si aspetta un’attenuazione di un fattore 105-106 per  da 1.6 MeV Fascio di 4He e bersaglio di 3He con sistema di ricircolo per minori contaminazioni Correzione per effetti di riscaldamento del bersaglio indotti dal fascio Misura di I* tramite scattering Rutherford

Misura di attivazione: I nuclei di 7Be prodotti dalla reazione vengono raccolti e se ne misura l’attivita’ “off-line” con un rivelatore HpGe 125% completamente schermato Grazie alla soppressione del fondo di muoni del LNGS (10-6) e allo schermo di Pb il fondo nella regione di interesse ( 480 keV) e’ circa 2 conteggi/giorno Dopo un giorno di irraggiamento con I= 200 A e p= 1 mbar ci si aspetta: E cm = 160 keV n = 320 eventi/settimana Si puo’ ottenere la precisione desiderata