Rivelatori e macchine acceleratrici ai Laboratori Nazionali del Sud

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1 Rivelatori e macchine acceleratrici ai Laboratori Nazionali del Sud Angelo Pagano INFN - Sezione di Catania Dipartimento di Fisica - Astronomia dell Università di Catania XXII GIORNATE DI STUDIO sui RIVELATORI Scuola F. Bonaudi Torino, Giugno 2012 Dipartimento di Chimica via Pietro Giuria, 7

2 Sommario Parte I Introduzione Informazioni su LNS e Macchine acceleratrici Rivelatori dei LNS Attività e progressi Parte II Esempio di fisica: CHIMERA Prospettive

3 PARTE I Le scienza nucleare ha inizio con la scoperta del fenomeno della radioattività naturale da parte di Becquerel. Correva l anno I successivi 40 anni di ricerca fondamentale sono segnati da un impressionate susseguirsi di scoperte straordinarie: dalla trasmutazione artificiale degli elementi (E. Rutherford, a. 1919) alla spiegazione del decadimento beta (E. Fermi, a.1934) ed al consolidarsi dei nuovi paradigmi scientifici della fisica moderna: relatività e meccanica quantistica.

4 ORIGINE : DIFFUSIONE ELASTICA ( 1900) E.Rutherford, Phil. Mag.21,669 (1911)

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6 ORIGINE: La scoperta delle particelle sub-nucleari Mn n p e Mp Un acceleratore lungo 27Km al CERN LHC

7 U.Amaldi, conoscere Fermi nel centenario della nascita 29 settembre La ricerca continua praticamente in ognuno dei campi tracciati sin dalle origini dai pionieri???????

8 TIPICO PROGRAMMA di congresso generale FISICA NUCLEARE: (vedi RECENTE NN2012) The Scientific Program will be structured around the following topics: Heavy and Superheavy Elements QCD and Hadron Physics Relativistic Heavy-Ion Collisions Nuclear Structure Nuclear Energy and Applications of Nuclear Science and Technologies Fusion and Fission Equation of State of Neutron-Rich Nuclear Matter, Clusters in Nuclei and Nuclear Reactions Reactions and Structure- Unstable Nuclei Nuclear Astrophysics New Facilities and Detectors

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11 UNA VISIONE D INSIEME del LABORATORI ( m^2)

12 LNS-CATANIA

13 ACCELERATORE LINEARE TANDEM Sorgente Ioni - V=0Volt V=15MVolt V=0Volt q=-e q=+ne A B C LNS-INFN Catania

14 Il CICLOTRONE : LNS V F B Nord + _ H.I Energia di Fermi 12C 80MeV/A Au 23MeV/A Laboratori Nazionali Del Sud Catania SUD B=4Tesla R= 90cm

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17 In camice bianco: Carmelo Marchetta LNS (resp. Serv.bersagli)

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19 Proton-therapy

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21 THE DEAD SEA SCROLLS ANALYSIS: PROVENANCE DETERMINATION Cl Br XPIXE Major elements Qumran Dead Sea Cave 11 soil - Dolomite XRD Minerals of Caves Temple Scrolls Cl 160 ev & 80 mm2 PORTABLE SYSTEMS PIXE 2 MeV Trace elements Xgent.Cc.P.Romano lns Br LNS TANDEM

22 Xgent.Cc.P.Cirrone-G.Cuttone-lns

23 MAGNEX Differential algebraic reconstruction Optical characteristics Measured values Maximum magnetic rigidity 1.8 T m Solid angle 50 msr Momentum acceptance -14.3%, +10.3% Momentum dispersion for k= (cm/%) 3.68 Measured resolution Energy E/E 1/1000 Angle Δθ 0.3 Mass Δm/m 1/160 Quadrupole Dipole Scattering Chamber Focal Plane Detector Xgent.Cc. Cappuzzello-lns F.Cappuzzello, D.Carbone, M.Cavallaro and A.Cunsolo, MAGNEX: an innovative large acceptance spectrometer for nuclear reaction studies in: Magnets: Types, Uses and Safety, Nova Publisher Inc., New York, 2011, pp 1-63.

24 The evidence of nuclear rainbow in heavy ion collisions Xgent.Cc. Cappuzzello-lns M.Cavallaro et al. Nuclear Instr. And Meth. A 648 (2011) D.Pereira et al. Phys. Lett. B 710 (2012)

25 Nuclear astrophysics Measurement of low-energy nuclear reaction cross sections: Direct methods vs. indirect methods Trojan Horse Method: Need to measure relative angles with high resolution PRL 101, (2008) Lab.: INFN-LNS Catania (Italy) - Tandem Position sensitive silicon detector: charge partition Resistive layer Position measurement: Continuous Discrete Silicon strip detector 18 O(p,a) 15 N 18 O(d, α 15 N)n Xgent.Cc. M.LaCognata-lns

26 The 8 Li( 4 He,n) 11 B reaction cross section Factor of 5 discrepancy at r- process energies solved La Cognata et al., The Astrophysical Journal Letters 706(2009)251? Recommended rate La Cognata & Del Zoppo, The Astrophysical Journal 736(2011)148 Xgent.Cc. A.DelZoppo-lns LNS results have been selected by A. Coc et al. [The Astrophysical Journal 744(2012)158] to estimate the recommended rate in the frame of a new and extended nuclear network for Big Bang nucleosynthesis (BBN).

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28 Experimental set-up: MEDEA + SOLE + Maciste MEDEA SOLE MACISTE MEDEA 180 cristalli di BaF 2 posti in geometria sferica. Permette di misurare gamma fino a 200 MeV e particelle cariche leggere (Z=1,2) in un range angolare da 30 a 170. MEDEA Residui evaporativi emessi dal bersaglio con Q < 6 entrano in SOLE e sono focalizzati su MACISTE (4 telescopi camera a ionizzazione MWPC-plastico) Xgent.Cc. D.Santonocito-lns

29 Xgent.Cc. D.Santonocito-lns

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31 Cos e un nucleo esotico? Nucleo stabile : Nucleuo Esotico: 6 neutroni 6 protoni (carbone) 12 C Si trova in natura 16 neutroni 6 protoni (carbone) 22 C Radioattivo, Caratteristiche di nucleo esotico: Eccesso of neutroni o protoni, Breve vita media, Bassa energia di legame

32 Un po di storia Da 300 a 3000 nuovi nuclei Frammentazione (target o proiettile) Con la disponibilita di fasci di ioni sempre piu pesanti e stato possibile creare un crescente numero di nuclei fuori dalla valle di stabilita

33 proton number Z Stable + decay - decay a decay p decay spontaneous fission Limiti di esistenza dei nuclei neutron number N

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35 Reazioni di Produzione Transfer Reactions In generale: Piccate ad angoli in avanti s mbarn a MeV/u Adattata da A.Bracco (2010)

36 Reazioni di Produzione: Fusione 54 Fe + 92 Mo 146 Er(p4n) 141 Ho 78 Kr + 58 Ni 136 Gd(p4n) 131 Eu Energie ione stabile 5-15 MeV/u Adattata da A.Bracco (2010)

37 Participant-spectator reactions FERMI ENERGY ( > 50 AMeV ) Da EXOCHIM /CHMERA coll..- INFN SEZ-LNS- (priv. Comm.) Adattata da A.Bracco (2010) Reazioni di Produzione Frammentazione del Proiettile

38 Reazioni di Produzione Frammentazione della Targhetta Rimozione rapida di nucleoni Spallation Adattata da A.Bracco (2010)

39 Reazioni di Produzione Gli isotopi stabili del Rubidio hanno A= 85 e A=87 Adattata da A.Bracco (2010)

40 ISOL In Flight In-Flight (Fascio prodotto direttamente nella reazione) Selezionatore e.m. Target di Produzione Acceleratore Primario (Driver) Degraders Tagging Utente ISOL (Prodotti di reazione accelerati in un secondo acceleratore) Metodi di Produzione Target di Produzione Acceleratore Selezionatore e.m. Acceleratore Primario (Driver) Utente EXCYT-LNS

41 Adapted from:

42 Per rev. Generale su ISOL, vedi ad esempio: M. Lindroos reporto CERN- AB Tempi estrazione 10^-3-10^-1 s

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44 In flight fragmentation beams at LNS (solo tempo di trasporto) Production Target

45 Fragmentation Beams CHIMERA Tagging System: MCP + DSSSD Silicon Strip Detector (energy loss and beam position) 24x24 or 32x32 (new) 6.4x6.4 cm 2 Large surface (6x4 cm 2 MCP) Target See for example: I. Lombardo et al. NPB 215, 272 (2011) 45

46 RECENT at LNS: EXOTIC at FERMI ENERGY E (MeV) Using a primary 18 O 7+ beam ( used also as pilot beam to set the Br of the dipoles) We have repeated the transport of beams around 11 Be performed in December 2009 to test the increase of production after the upgrading of the fragmentation beam 16x16 DSSSD 140mm (5x5cm 2 ) 24x24 DSSSD 62mm (2.4x2.4cm 2 ) C 17 C 13 B 10 Be 7 Li Yields normalized to 100 W beam (6.3x10 11 p/s) Beam khz khz 16 C B E~50 MeV/A P/P <1% 12 Be 9 Li 6 He T (ns) Xgent.Cc. G.Cardella-CT

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