n_tof al CERN: misura di sezioni d urto neutroniche per l astrofisica nucleare e per le tecnologie nucleari

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1 n_tof al CERN: misura di sezioni d urto neutroniche per l astrofisica nucleare e per le tecnologie nucleari Paolo Maria MILAZZO (per la collaborazione n_tof)

2 CERN la coll laborazione ntof Technische Universitat Wien IRMM EC-Joint Research Center, Geel IN2P3 IPN Orsay, IN2P3 - IReS - Strasbourg, CEA Saclay FZK Karlsruhe AstroParticle Consortium (Athens, Thessaloniki, Thrace ) INFN Bari, Bologna, LNL, Trieste ENEA Bologna, Università di Bologna LIP - Universitade de Coimbra, ITN Lisbona INR Dubna, IPPE Obninsk CIEMAT - Madrid, IFIC Valencia, University of Santiago de Compostela, University of Cataluna University of Basel University of Notre Dame, LNL, ORNL Austria Belgio Francia Germania Grecia Italia Portogallo Russia Spagna Svizzera USA 40 Istituti 120 Ricercatori Contratti EC FP5 n-tof-nd-ads FP6 EUROTRANS FP7 ANDES

3 Astrofisica nucleare Nucleosintesi degli elementi più pesanti del Ferro Caratterizzazione delle condizioni stellari Cosmocronologia Tecnologie nucleari emergenti Reattori di IV generazione Smaltimento delle scorie radioattive

4 number fraction Gap B,Be,Li α-nuclei 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg,. 40 Ca Fe peak NEUTRONI Abbondanze relative r-process peaks (nuclear shell closures) s-process peaks (nuclear shell closures) H He Li-Fe Elementi più pesanti del Ferro 4E-6 Au Pb Th, U mass number

5 Gli elementi chimici più pesanti del Ferro sono prodotti grazie a reazioni indotte da neutroni all interno delle stelle ~ ½ by s-process ~ ½ by r-process s process [SLOW] T 10 8 K - n n 10 8 neutroni/cm 3 Tempi di cattura 1 anno r process [RAPID] T > 10 9 K - n n neutroni/cm 3 Tempo di esposizione secondi

6 Gli elementi chimici più pesanti del Ferro sono prodotti in reazioni indotte da neutroni all interno delle stelle Big Bang H, He, Li Formazione di una stella Espulsione di materia nel mezzo interstellare Vita di una stella Nucleosintesi BH: Black Hole NS: Neutron Star WD: White Dwarf Star Residui (WD,NS,BH) Morte di una stella (Supernova) Nucleosintesi

7 Il processo s procede lungo la valle di stabilitàβ 63 Cu Cu 12.7 h 60 Ni Ni Ni Ni 100 a 64 Ni s-process 59 Co 60 Co 61 Co a 1.65 h 56 Fe Fe Fe Fe d 60 Fe a 61 Fe 6 m

8 Il processo r può avere luogo in diversi scenari: Supernova nucleosynthesis Emissione di materia da Neutron Star mergers

9 (n, γ) per gli isotopi dello Zirconio La diramazione al 95 Zr dipende da: condizioni termodinamiche dei siti stellari (temperatura, densità neutronica, ) sezioni d urto Zr(n,γ) I dati sperimentali disponibili (ante n_tof) presentavano incertezze maggiori del 10%, a fronte di modelli stellari che necessitano di misure accurate al 3-5% T ½ = 35 d S process T ½ = 72 m Mo Nb Zr T ½ = 1.5 Myr T ½ = 64 d T ½ = 16 h R process

10 Richiesta accuratezza inferiore al 3 % per Pu e Attinidi Minori, da qualche kev a molti MeV Aliberti, Palmiotti, Salvatores, NEMEA-4 workshop, Prague 2007 U238 Energy Range Current Accuracy (%) Target Accuracy (%) inel MeV capt kev Pu241 fiss 454. ev 1.35 MeV Pu239 capt kev Pu240 fiss MeV Pu242 fiss MeV Pu238 fiss MeV Am242m fiss 67.4 kev 1.35 MeV Am241 fiss MeV 9 2 Am243 fiss MeV 12 3 Cm244 fiss MeV 50 5 Cm245 fiss kev 47 7 Fe56 Inel MeV Na23 inel MeV Pb206 inel MeV 14 3 Pb207 Inel MeV 11 3 Si28 inel MeV capt MeV 53 6 Table 1. Summary Target Accuracies for Fast Reactors

11 Siamo qui La facility CERN

12 n_tof è una sorgente di spallazione che sfrutta un fascio di protoni da 20 GeV/c del PS (360 neutroni per protone) Bersaglio di spallazione di Pb, 80x80x60 cm 3, raffreddato ad acqua (moderatore) Base di volo ~200 m Elevato flusso istantaneo 10 5 n/cm 2 /pulse Due collimatori, tre muri di schermaggio, un magnete Largo spettro energetico 1 ev < E n < 250 MeV Possibilià di cambiare il profilo del fascio in sala sperimentale Alta risoluzione energetica ΔE/E ~ 10-4 (fino a 100 kev) (per misure di cattura e fissione) Basso repetition rate 1 pulse/2.4 s (0.4 Hz) Basso background 10-5 (1 particella/cm 2 /pulse)

13 Cosa offre n_tof? Qual è la ricaduta diretta sulle misure? Neutroni disponibili in un ampio intervallo di energia (1 ev < E n < 250 MeV) Elevato flusso istantaneo (10 5 n/cm 2 /bunch) Risoluzione in energia Low neutron sensitivity Basso background Misura di sez. d urto di cattura fino a 1 MeV Misura simultanea di sez. d urto di fissione dall ev alle centinaia di MeV Misura di piccole sez. d urto di cattura Misura di campioni disponibili in modeste quantità Misura di campioni radioattivi Studio accurato delle risonanze Misura accurata di sez. d urto anche nei casi in cui σ el /σ capture» 1

14 Confronto con altre facilities Flusso medio Flusso istantaneo n_tof è una facility che permette di: misurare isotopi radioattivi (attinidi) estendere la regione delle risonanze risolte a più alta energia misurare fissione ad alta energia (fino almeno a 250 MeV)

15 Flux monitor Setup for fission Setup for capture The experimental area

16 Experimental setup for capture (1): liquid scintillators Realizzati ad hoc per n_tof low neutron sensitivity C 6 D 6 liquid scintillators NIM A496 (2003) 425 C 6 D 6 detector neutrons Sample changer

17 Experimental setup for capture (2): 4π Total Absorption Calorimeter 42 cristalli BaF 2, spessore 15 cm Alta efficienza ai γ di cattura Offre un ottimale discriminazione del background e permette di distinguere le cascate γ di cattura da quelle di fissione => ideale per misure di cattura su bersagli fissili e disponibili in piccole quantità sample C 12H 20O 4( 6 Li) 2 Neutron Absorber

18 Stack di Parallel Plate Avalanche Counters sensibili alla posizione Campioni inseriti fra PPAC Posizione e coincidenza fra FF permette discriminazioneα-background. Experimental setup for fission Multi-sample Fission Ionization Chamber 1 2 Micromegas (camere proporzionali) 3

19 Cattura 151 Sm 204,206,207,208 Pb, 209 Bi 232 Th 24,25,26 Mg 90,91,92,94,96 Zr, 139 La 186,187,188 Os 233,234 U Zr, 93 Zr 237 Np, 240 Pu, 243 Am s-process branching, temperature, density termination of the s-process, nucleosynthesis of Lead Th/U cycle neutron source for the s-process: 22 Ne(a,n) 25 Mg massive stars, pre-solar grains nuclear cosmo-chronometer Th/U cycle ADS, nuclear waste Isotopi misurati n_tof fase 1 (2000 ( ) 2004)

20 Fissione 233,234,235,236,238 U 232 Th 209 Bi 237 Np 241,243 Am 245 Cm Th/U cycle Materiali strutturali ADS, Generation IV, nuclear waste Isotopi misurati n_tof fase 1 (2000 ( ) 2004)

21 Misure di cattura Mo, Ru, Pd, Fe, Ni, Se (isotopi stabili) 79 Se 234,236 U, 231,233 Pa 239,240,242 Pu, 241,243 Am, n_tof fase 2 (2008 Nucleosintesi stellare (s- e r-process) Materiali strutturali, reattori GEN-IV Frammento di fissione a lunga vita media Ciclo di combustibile Th/U (ADS) Trasmutazione scorie radioattive ( ?) 201?) 245 Cm Misure di fissione U(n,f), Pu(n,f), attinidi minori Altre misure 147 Sm(n,a), 67 Zn(n,a), 99 Ru(n,a), 33 S(n,a) 58 Ni(n,p) ADS e reattori GEN-IV Astrofisica, fisica medica, materiali strutturali per ADS

22 Blocco delle assunzioni Riduzione progressiva dei finanziamenti Riduzione della pianta organica...

23 Conclusioni La misura delle sezioni d urto indotte dai neutroni è fondamentale per lo studio della nucleosintesi, dell evoluzione stellare e nel campo delle tecnologie nucleari emergenti. n_tof offre ottime condizioni sperimentali per ricavarle con grande accuratezza. La collaborazione n_tof ha portato a termine numerose misure e ne sta portando avanti un ampio piano di nuove. Nuove opportunità sono state rese accessibili quali, e.g., misure su campioni di misura disponibili in modeste quantità.