Avanzamento del progetto LUNA-MV e misura della 13 C( ,n) 16 O a LUNA400 Paolo Prati Dipartimento di Fisica e Sezione INFN - Genova RN e Spokesperson.

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1 Avanzamento del progetto LUNA-MV e misura della 13 C( ,n) 16 O a LUNA400 Paolo Prati Dipartimento di Fisica e Sezione INFN - Genova RN e Spokesperson della Collaborazione LUNA

2 Thanks to the C beam, experiments in inverse cinematic will be possible Il nuovo acceleratore LUNA-MV (by HVEE) 0.2 < Terminal Voltage < 3.5 MV

3 - Terminal voltage Ripple (Rms) : 20 -80 V Il nuovo acceleratore LUNA-MV (by HVEE)

4 LUNA-MV LUNA MV will be installed in the North part of Hall B of LNGS The area so far allocated to ICARUS will be cleared within summer 2016

5 LUNA-MV Finanziamento MIUR tramite due progetti premiali per un totale di 5.3 M€

6 The LUNA400 machine could be relocated on the LUNA-MV roof in the future… Sala controllo et al: 50 m 2 per 4 piani, h = 12 m

7 LUNA-MV: neutron shielding First design of a 80 cm thick concrete shielding has been performed by GEANT4 & MCNP E n = 5.6 MeV, 2 10 3 n/s, isotropic «conventional» n flux @ LNGS = 3 10 -6 n/cm 2 s  max ≈ 1/5 LNGS bck.

8 LUNA MV: cronoprogramma Hall B clearing 15 Aprile 2016 : ultima firma sul contratto INFN-HVEE Progetto preliminare edificio LUNA-MV : aprile/maggio Gara per edilizia : Giugno 2016 Primo esperimento: fine 2018 – inizio 2019

9 Programma scientifico LUNA MV (2019  ) 13 C( ,n) 16 O: enriched 13 C solid or gas target. Neutron detector Data taking at LUNA 400 kV in 2017-2018. 22 Ne( ,n) 25 Mg: enriched 22 Ne gas target. Neutron detector. 12 C( ,  ) 16 O: 12 C solid target depleted in 13 C and alpha beam or  jet gas target and 12 C beam. 12 C+ 12 C: solid state target. Gamma and particle detectors Commissioning measurement: 14 N(p,  ) 15 O. High scientific interest for revised data covering a wide energy range (400 keV- 3.5 MeV). Scientific results of high impact but reduced risk immediately after commissioning phase.

10 Programma scientifico LUNA MV A full proposal with the program of the first 5 years will be submitted to LNGS-SC and to INFN within summer 2016. LUNA is open to new collaborations on the whole program or even on single experiments. In November-December 2016 a workshop will be organized at LNGS both to celebrate the first 25-year period of LUNA (“Silver Moon”) and to present the perspectives for the next decades. The announce will come soon but please refer to me for any information (prati@ge.infn.it)

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12 LUNA and the others Bck.Acceler.Beam intensity ProgramExpected start Notes LUNA LNGSLUNA 400 ~300  A 13 C( ,n) et al., 2017Solid /gas target JUNA ~ 2 OoM better 400 kV – ECR 10 mA ! 25 Mg(p,  ) 13 C( ,n) 12 C( ,  ) Mid 2016 2019Gas target + 3 He tubes in liq. Scint. CASPAR ~ LUNAOld 1 MV 150  A 14 N(p,  ) ? 13 C( ,n) 22 Ne( ,n) Mid 2016 ? Gas target + 3 He tubes LUNA MV LNGS3.5 MV + ECR 1 mA 14 N(p,  ) ? 13 C( ,n) 22 Ne( ,n) 12 C( ,  12 C  12 C 2019 ? Starting from 2016 LUNA will be no more alone !

13 LUNA 400 kV new program 2016-2019: a bridge toward LUNA MV 2 H(p,  ) 3 He – 2 H production in BBN (high-efficiency BGO- phase completed-high resolution HPGe phase on the way) 22 Ne( ,  ) 26 Mg – competes with 22 Ne( ,n) 25 Mg neutron source (LUNA MV) 13 C( ,n) 16 O – neutron source (LUNA MV) 6 Li(p,  ) 7 Be – improves the knowledge of 3 He( ,  ) 7 Be key reaction of p-p chain (LUNA MV) 12 C(p,  ) 13 N and 13 C(p,  ) 14 N – relative abundance of 12 C- 13 C in the deepest layers of H-rich envelopes of any star WG avviato Sept.15, coord. A. Formicola

14 13 C( ,n) 16 O : impatto astrofisico The reaction takes place in thermally pulsating, low-mass, Asymptotic Giant Branch stars at Gamow energies E = 140 -230 keV (T = 90 10 6 K). The cosmic creation of roughly half of all elements heavier than iron, occurs in AGB stars, where the neutrons necessary to drive the slow neutron- capture (s) process are released by the 13 C( ,n). Radiativ: i.e inter-pulse  lower n density Convective: i.e partially in-pulse  higher n density

15 13 C( ,n) 16 O : letteratura

16 13 C( ,n) 16 O : estrapolazione al picco di Gamow Requirements astrofisici: incertezza S(E) < 10%

17 Elab [keV] Ecm [keV] Rate [neutr/h] Rate [neutr/h]  306339121  28710338.5  2682810.9 3002291.30.6 275210 0.20.1 250191 0.020.01 2 10 17 at/cm 2 N t = 10 18 13 C( ,n) 16 O : tasso di reazione atteso Arricchimento bersaglio in 13 C: 99%, I  = 200  A ≈ 1-2 mesi Beam time se bck =0

18 13 C( ,n) 16 O : la misura a LUNA400 (e poi a LUNA-MV) I due esperimenti sono collegati: poiché a LUNA400 non si potrà verosimilmente raggiungere l’interno del picco di Gamow, un unico data-set con set-up identico o molto simile che si estenda oltre la risonanza a E cm ≈ 800 keV è indispensabile per l’estrapolazione a bassa energia tramite fit R-matrix. Il problema sperimentalmente più complesso è quello del bersaglio, sia esso solido o gassoso Il rivelatore di neutroni deve naturalmente avere alta efficienza (Q~2.22 MeV ) ma soprattutto bassissimo fondo intrinseco e fattore di reiezione della radiazione  il più elevato possibile

19 13 C( ,n) 16 O: rivelatori di neutroni  di rivelazione 55% 25% Nota: il rivelatore di Notre Dame University (che fino a luglio 2015 si pensava di poter avere in prestito) è simile a quello di Drotleff con  ≈ 40%

20 13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA Lamine (spessore 0.3 - 0.5 mm) di scintillatori ZnS( 6 Li) accoppiate a wavelenght shifter. Poco sensibili ai  ma una analisi PSD è indispensabile per i rate attesi a LUNA. Test @LNGS in progress.

21 13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA Possibilità di usare celle di BC501A parzialmente disponibili a Bari e soprattutto di esplorare la risposta dei BC-523A (dopati con 10 B, costo circa 10 k€ a cella…) LUNA: underground test facility…

22 The simulation is optimized to get the detector working in the energy range between 0 and 5 MeV. 20 stainless tubes diameter of 1 inch and at a pressure of 4 atm. Efficiency @ 2 MeV is about 30 % Tubes are inside a polyethylene cube of 40 cm x 40 cm x 40 cm 13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA 3 He-tubes «ND like»

23 The simulation is optimized to get the detector working in the energy range between 0 and 5 MeV. 15 stainless tubes diameter of 1 inch and at a pressure of 4 atm. Efficiency @ 2 MeV is about 25 % Tubes are inside a polyethylene cube of 40 cm x 40 cm x 40 cm 13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA 3 He-tubes 15 det.

24 Efficiency studies have been done with 4 atm 3 He pressure due to initial concerns about possible pressure loss over the lifetime of the experiment. We recently obtained a quote for counters with 10 atm of 3 He pressure. The manufacturer remarked the following on the stability: “Reuter- Stokes has manufactured many thousands of 3 He detectors in our history. We recently looked at statistics in order to determine detectors lifetime. It seems like our MTBF is over 750 years. This implies that 3 He leakage is less than minimal, and your detectors will last for many decades without any performance loss.” Efficiency will increase by about 30 %, considering the same geometry when going from 4 atm to 10 atm. 13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA  > 40% con 15 tubi a 10 atm

25 13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA Con tubi standard ~ 1cnt/counter/hour < /100

26 13 C( ,n) 16 O: un nuovo rivelatore a LUNA 7705 USD = 8367 € (VAT 22% inclusa) 1 pre-amp ≈ 1000 € 9400 € a tubo

27 13 C( ,n) 16 O: l’esperimento a LUNA400 Bersaglio solido o gassoso ?? Notevoli pro e contro con entrambe le soluzioni: test programmati tra giugno e luglio 2016 a LNL e LNGS

28 13 C( ,n) 16 O: l’esperimento a LUNA400 Strategia: Ordinare subito due tubi + pre-amp e misurare il fondo ai LNGS (tot: 19 k€  sblocco SJ Sezione di Bari) Definire entro luglio 2016 il set-up sperimentale (tipo di bersaglio e geometria rivelatore) Ordinare entro settembre 2016 i rimanenti tubi ed il resto del materiale: Altri 13 tubi 3 He 122200 € Moderatore HDPE (l=40 cm) 4000 € HV e Digitizer 12000 € Bersagli 10000 € Intervento su LUNA400 10000 € TOTALE 158200 € Richiesta di un finanziamento aggiuntivo di 160 k€ in linea con la revisione del piano triennale di spesa definita a gennaio 2016

29 13 C( ,n) 16 O: l’esperimento a LUNA400 Strategia: Ricevere entro dicembre 2016 tutto il materiale necessario ( 3 He, moderatore, elettronica) Montare il nuovo set-up nei primi sei mesi del 2017 Iniziare la presa dati a metà 2017 Concludere la presa dati a metà 2018 (circa un anno prima di quanto originariamente previsto) Proseguire per tutto il 2019 con le rimanenti misure del programma LUNA400: 12/13 C(p,  ) e forse 6 Li(p,  ) NB: D(p,  ) e 22 Ne(  ) saranno completate prima dell’inizio della 13 C( ,n)

30 The LUNA collaboration A. Boeltzig*, G.F. Ciani*, A. Formicola, I. Kochanek, M. Junker, L. Leonzi | INFN LNGS /*GSSI, Italy D. Bemmerer, M. Takacs, T. Szucs | HZDR Dresden, Germany C. Broggini, A. Caciolli, R. Depalo, P. Marigo, R. Menegazzo, D. Piatti | Università di Padova and INFN Padova, Italy C. Gustavino | INFN Roma1, Italy Z. Elekes, Zs. Fülöp, Gy. Gyurky| MTA-ATOMKI Debrecen, Hungary M. Lugaro | Monarch University Budapest, Hungary O. Straniero | INAF Osservatorio Astronomico di Collurania, Teramo, Italy F. Cavanna, P. Corvisiero, F. Ferraro, P. Prati, S. Zavatarelli | Università di Genova and INFN Genova, Italy A. Guglielmetti, D. Trezzi | Università di Milano and INFN Milano, Italy A. Best, A. Di Leva, G. Imbriani, | Università di Napoli and INFN Napoli, Italy G. Gervino | Università di Torino and INFN Torino, Italy M. Aliotta, C. Bruno, T. Davinson | University of Edinburgh, United Kingdom G. D’Erasmo, E.M. Fiore, V. Mossa, F. Pantaleo, V. Paticchio, R. Perrino, L. Schiavulli, A. Valentini| Università di Bari and INFN Bari, Italy NB: in rosso studenti PhD in azzurro post-doc

31 E beam  50 – 400 keV I max  500  A protons I max  250  A alphas Energy spread  70 eV Long term stability  5eV/h LUNA 400kV accelerator

32 Fondi Progetto Premiale Il finanziamento complessivo ottenuto con due successivi progetti premiali ammonta a 5.3 M€ Ad oggi è stata impegnata una cifra complessiva pari a circa 3.77 M€, essenzialmente per l’avvio della gara di acquisto dell’acceleratore LUNA-MV e spese di personale (in particolare una posizione quadriennale di Primo Tecnologo) Sottratto l’overhead trattenuto dalla sede centrale, resta disponibile per ulteriori spese una cifra di circa 330 k€, da dedicare esclusivamente a spese di personale. I costi per la costruzione della sala sperimentale schermata che ospiterà l’acceleratore, le linee di fascio e i punti misura saranno coperti da fondi LNGS (già allocati: 0.8 M €). Nel corso del 2016 saranno avviate le procedure per l’assunzione a tempo determinato di personale da dedicare, dopo opportuna formazione, alla gestione degli apparati della facility LUNA-MV e dell’attuale acceleratore LUNA400.

33 7 k€ con IVA

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35 The importance of going underground… Sun: kT = 1 keV E C ≈ 0.5-2 MeV E 0 ≈ 5-30 keV for reactions of H burning kT but also E 0 << E C !! Cross sections in the range of pb-fb at stellar energies with typical laboratory conditions reaction rate R can be as low as few events per month

36 13 C  n) 16 O radiativ e convectiv e high T and/or fast rate low T and/or slow rate