INFN Gruppo III (Nucleare) - Roma+Sanità Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 1 Roma - Maggio 2015 Astrofisica nucleare Astrofisica nucleare:  Evoluzione.

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1 INFN Gruppo III (Nucleare) - Roma+Sanità Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 1 Roma - Maggio 2015 Astrofisica nucleare Astrofisica nucleare:  Evoluzione delle stelle, Novae e Supernovae  Neutrini solari  Composizione chimica dell’Universo  Nucleosintesi primordiale Fisica nucleare e subnucleare Fisica nucleare e subnucleare:  Transizioni di fase della materia adronica (quark-gluon plasma)  Dinamica dei quark/gluoni e struttura degli nucleoni  Dinamica e struttura dei nuclei Argomenti tra loro correlati! Evaristo Cisbani – INFN & ISS

2 Esperimenti INFN Gruppo III - Roma+Sanità Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 2 Roma - Maggio 2015 Analisi / Upgrade R&D Presa Dati / Analisi Analisi / Upgrade / CommissioningCommissioning / Presa dati Phase transitions of nuclear and hadronic matter Nuclear Astrophysics... Quark and Hadron Structure and Dynamics

3 Studio della QCD per mezzo delle interazioni ioni-pesanti all’LHC L'Universo primordiale (fino a 10 -5 s dal Big Bang) viene ricreato in laboratorio tramite collisioni di ioni pesanti all'acceleratore LHC del CERN CONTATTI: Dr. Pasquale Di Nezza(Pasquale.DiNezza@lnf.infn.it) Dr. Alessandra Mazzoni (Maria.Alessandra.Mazzoni@roma1.infn.it) Roma - Maggio 2015Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità3 A Large Ion Collider Experiment

4 Roma - Maggio 2015Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità4 deconfinement Color-flavor locking

5 Collisioni ioni-pesanti ad alta energia adroniquark-gluon plasma (QGP) alto T,  De-confinamento confinamento 5 LHC Cern Ginevra Il QGP è il particolare stato di materia presente dopo la rottura spontanea di simmetria forte e elettrodebole, e prima della comparsa degli adroni Roma - Maggio 2015Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità

6 Tesi di analisi dati Studio dei “jet” (in particolare provenienti da quark pesanti come charm e beauty) come “golden channel” per sondare il QGP, l’evoluzione spazio- temporale del processo di adronizzazione ed i fenomeni di perdita di energia (quenching) Roma - Maggio 2015Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità6

7 ALICE: Tesi di analisi dati Studio dei “jet” (in particolare provenienti da quark pesanti come charm e beauty) come “golden channel” per sondare il QGP, l’evoluzione spazio- temporale del processo di adronizzazione ed i fenomeni di perdita di energia (quenching) 2 Jet nel vuoto 2 Jet di cui 1 fortemente attenuato per interazioni con il QGP Roma - Maggio 2015Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità7

8 Il più innovativo tracciatore al silicio mai costruito! Una “macchina fotografica” con 25 Gpixel capace di rivelare migliaia di particelle ogni 25 ns ALICE: Tesi di hardware Roma - Maggio 2015Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità Upgrade dell’Inner Tracking System 8

9 Lavori di tesi in collaborazione tra l’Università “La Sapienza” ed i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN. CONTATTI: Dr.Pasquale Di Nezza(Pasquale.DiNezza@lnf.infn.it) Dr.Alessandra Mazzoni (Maria.Alessandra.Mazzoni@roma1.infn.it) Roma - Maggio 2015Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità9

10 Roma - Maggio 2015 Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 10 Studio reazioni nucleari di fusione intorno al picco di Gamow (regione dove avvengono la gran parte delle reazioni) nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso con acceleratore di ioni da 400 keV CONTATTO: Carlo Gustavino carlo.gustavino@roma1.infn.it No particle →← Coulomb Barrier Astrophysical Factor Tunnel prob. in Coulomb Barrier E G ≈ 200 keV Esempi: Processi di fusione dei nuclei ionizzati nelle stelle, Formazione dei nuclei negli istanti successivi al BB, dopo la bariogenesi Sezioni d’urto molto basse sovrastate dal fondo indotto dai cosmici. Necessità di ambiente “silenzioso”  Underground + accelerator (400)

11 LUNA: Tesi realizzazione esperimento e analisi dati Study of the D(p,  ) 3 He reaction at BBN energies with the Underground LUNA accelerator at LNGS Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 11 Roma - Maggio 2015 Crucial importance is the accurate measurement of the D(p,  ) 3 He cross section. To calculate the D abundance and therefore to increase the BBN and CMB sensitivity to Neff → extra neutrino, dark radiation ? Primordial Deuterium error budget (Di Valentino et al. 2014) Big Bang Nucleosintesi

12 LUNA: Tesi realizzazione esperimento e analisi dati Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 12 Roma - Maggio 2015 BGO detector Accurate Total cross section Vs Energy (20<E cm keV<266) Ge(Li) detector Measure angular emission of photons to study nuclear physics aspects (100<E cm (keV)<263). Study of the D(p,  ) 3 He reaction at BBN energies with the Underground LUNA accelerator at LNGS SETUP Sperimentale Presently, LUNA is the world’s only underground accelerator at LNGS, Italy, with a maximal energy of E beam =400 keV Many accelerators have been proposed in the world, operating up to several MeV, i.e. well suited to study BBN reactions. LUNA-MV successore di LUNA è in corso di realizzazione

13 Roma - Maggio 2015 Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 13 Studio dinamica e struttura interna degli adroni (nucleoni, pioni, nuclei...) attraverso diffusione di elettroni (longitudinalmente polarizzati) su bersagli nucleari (polarizzati) e - superconducting linear accelerator up to 12 GeV Polarized beam 100% duty factor Beam simultaneously delivered on 4 experimental Halls Run since 1995 Major upgrade in 2012-2013 CONTATTI: Guido Maria Urciuoli: guido.maria.urciuoli@roma1.infn.it Evaristo Cisbani: evaristo.cisbani@iss.infn.it The italian collaboration @ JLab

14 Roma - Maggio 2015 Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 14 Up to 12 GeV Electron scattering on fixed targets from H to Pb Asymptotic Freedom Confinement High Energy Small Distance Low Energy Large Distance  ~ QED  QCD Perturbative QCD Elastic and DIS Scattering Parton models Strong QCD Spectroscopy Phenomenological Models + Test Standard Model + Dark Matter Search Alcune questioni a cui cerchiamo di rispondere: Qual’è l’origine dello spin del nucleone ? Qual’è la forma del nucleone e la sua dimensione ? Come si comporta la materia nucleare ? Quali sono le componenti del potenziale nucleare ? Esiste un «heavy photon» mediatore tra materia ordinarie e possibile materia oscura ?

15 Roma - Maggio 2015 Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 15 JLab: Tesi Preparazione Esperimenti/Analisi Dati Fattori di forma elastici (protone e neutrone) ad alto momento trasferito Jlab: new class of (polarized) experiments show proton G E /G M is NOT constant but DECREASES linearly with Q 2 → impact on our description of elastic scattering and proton structure ! Attività: messa a punto e analisi dati Montecarlo per ottimizzazione setup sperimentale, implementazione strumenti di analisi per l’esperimento, coinvolgimento sviluppo apparati http://www.iss.infn.it/webg3/cebaf/nucleon.html Form factors represent a «standard» test for any fundamental nucleon model No data at large Q 2 –where nucleon model predictions diverges JLab permette di raggiungere luminosità di 10 39 /s/cm 2 per compensare le basse sezioni d’urto (≈1/Q 12 ) Ancora non abbiamo una comprensione soddisfacente del processo elastico e+p ! Le predizioni dei modelli nucleari divergono dove non ci sono dati !

16 JLab: Tesi su Strumentazione / Tracciatore Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 16 Roma - Maggio 2015 Realizzazione e caratterizzazione di tracciatore ibrido silicon microstrip + large GEM chambers per il nuovo spettrometro SBS di Hall A Attività: caratterizzazione e sviluppo hardware, implementazione algoritmi di clustering e tracciamento, conduzione test e analisi dati Altissimi fondi: 500 MHz/cm 2 di fotoni (luminosità 10 39 /cm 2 /s); sofisticato metodo di ricostruzione; rivelatori innovativi allo stato dell’arte; tra le più grandi GEM oggi disponibili. Silicon  Strip GEM Modules GEANT4 MC http://www.iss.infn.it/webg3/cebaf/tracker.html

17 JLab: Tesi su Strumentazione / RICH Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 17 Roma - Maggio 2015 Realizzazione di un rivelatore RICH per studi di struttura del nucleone in sala B al JLab (e futuri acceleratori e+A) Discriminazione pioni – kaoni con potere di reiezione superiore a 500:1 Radiatore aerogel, ottica innovativa ibrida, rivelatore di fotoni PMT multianodici (in studio anche SiPM). Attività: caratterizzazione e sviluppo hardware, implementazione algoritmi di ricostruzione, sviluppo e messa a punto elettronica acquisizione In collaborazione con Laboratori Nazionali di Frascati

18 Tesi Medicina Nucleare / Fisica Medica Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 18 Roma - Maggio 2015 Cockcroft–Walton @ ISS Messa a punto di un processore di Imaging Molecolare ottimizzato per un sistema di acquisizione a canali indipendenti Sviluppo di camere a ionizzazione micropattern per monitor della dose rilasciata da acceleratore di protoni in terapia oncologica Contatti: Evaristo Cisbani evaristo.cisbani@iss.infn.it Franco Garibaldi franco.garibaldi@iss.infn.it www.iss.infn.it/tesi-disponibili.htm

19 Qualche approfondimento Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 19 Roma - Maggio 2015

20 BBN is the result of the competition between the relevant nuclear processes and the expansion rate of the early universe, governed by the Freidmann Equation: LUNA: Big Bang Nucleosynthesis 20 H = Hubble constant G = Newton's gravitational constant  = energy density (i.e. photons and neutrinos density in the early Universe) Therefore, the abundance of primordial isotopes ONLY depends on: Baryon density  b (BBN and CMB experiments) Particle Physics (  n, N eff, ..) Nuclear astrophysics, i.e. cross sections of BBN nuclear reactions Roma - Maggio 2015 Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità

21 100  b,0 h 2 (CMB)=2.20±0.03 (PLANCK2013) 100  b,0 h 2 (D/H)=2.20±0.02±0.04 (Cooke2013) The deuterium abundance is very sensitive to the cosmic baryon density  b. Therefore, the baryon density can be inferred by comparing the calculated and the measured abundance. CMB experiments provide an independent measurement of  b. Assuming Standard Model (3 neutrino species): D/H observations Nuclear Astrophysics (Dp  reaction uncertainty) LUNA: Baryon density 21 observations The deuterium abundance is also sensitive to the number of neutrino families. With the present 2 H(p,  ) 3 He data at BBN energies we have: N eff (CMB) = 3.36±0.34 (PLANCK 2013) N eff (BBN) = 3.57±0.18 (COOKE&PETTINI 2013) N eff (SM) = 3.046  Result from BBN and CMB are in excellent agreement providing a suggestive, but still inconclusive, hint of the presence of dark radiation. The poorly known cross-section of the 2 H(p,  ) 3 He reaction at BBN energies represent the single most important obstacle to improve the BBN contraints on the existence of “dark radiation”. Roma - Maggio 2015 Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità

22 LUNA: CMB, neutrinos and D(p,  ) 3 He reaction CMB only arXiv:1404.7848v1 [astro-ph.CO] Cooke2013 Y p error band mainly due to systematics of direct observations. D/H error band is mainly due to the D(p,  ) 3 He reaction. D(p,  ) 3 He reaction rate (A.U.). The “dark radiation” (e.g. extra neutrinos) can be better constrained with the accurate measurement of the D(p,  ) 3 He reaction at BBN energies Roma - Maggio 2015 Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 22

23 Roma - Maggio 2015 Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 23 Hall AHall B/CLAS12Hall CHall D/GLUEX + 1 large angular and momentum, high lumi spectrometer with hadron ID + Solid detector + Möller detector New beam line New ~2  toroid detector with extended hadron ID + “super high” momentum spectrometer + dedicated equipment Excellent hermetic coverage, Solenoid field High multiplicity reconstruction + lumi 10 39 cm -2 s -1 + forward tagger for quasi-real photons + lumi 10 39 cm -2 s -1 10 8 linearly polarized <12 GeV real photons/s + targets with large thickness + long/trans polarized H/D target hallaweb.jlab.orgwww.jlab.org/Hall-Bwww.jlab.org/Hall-C www.jlab.org/Hall-D www.gluex.org JLab Experimental Halls from 2014

24 Proton G E /G M – an «unexpected» discrepancy 24 Rosenbluth Separation: assume single photon approximation Polarization transfer from the incident electron to the scattered proton Prior to JLab/2000, expectations were that proton G E /G M fairly constant with Q 2 At JLab, new class of experiments show proton G E /G M decreasing linearly with Q 2

25 JLAB: why and where are FF interesting Fundamental properties of the nucleon Many fundamental models able to calculate them Large Q 2 : –Distinguish important models for GE/GM –Scaling behaviour (flavor form factors components) –Constrain GPD at high x (valence quark dominate) –Smaller effective mass of the quarks –Toward pQCD dominated regime Very Low Q 2 : –Pion cluod effects –Precise nucleon size estimation Roma - Maggio 2015 Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità 25

26 Proton G E /G M at large Q 2 by polarization transfer Beam: Current= 75  A, Polarization= 85% long. Energy= 6, 8 and 11 GeV Target: H 2 Liquid Length= 40 cm Luminosity = 8 · 10 38 Detectors: P-arm: SBS + Polarimeter E-arm: BigCal + Coordinate Roma - Maggio 2015Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità26 GOAL: Extend the measurement of the proton form factor ratio G E /G M to the maximum Q 2 that is possible with 11 GeV beam with constraints: Absolute error < 0.1 Beam time = 60 days GEp5 experiment in HallA (SBS)

27 27 JLAB: SBS I max =85 μA L max = 10 39 cm -2 s -1 I=2 kA B= 2 Tm Silicon Tracker 14° Responsabilità: Roma: Silicon Tracker Sanità: GEM Tracker Extended Nucleon Form Factors and SI-DIS program Roma - Maggio 2015 Tesi Gruppo 3 - INFN Roma e Sanità