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, 12-15 Giugno 2012 Dipartimento di Chimica via Pietro Giuria, 7

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

Le scienza nucleare ha inizio con la scoperta del fenomeno della radioattività naturale da parte di Becquerel. Correva l’anno 1896. 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.

PARTE I

ORIGINE : DIFFUSIONE ELASTICA ( 1900)

E.Rutherford, Phil. Mag.21,669 (1911)

ORIGINE: La scoperta delle particelle sub-nucleari

epnMn

Mp

Un acceleratore lungo 27Km al CERN

LHC

U.Amaldi, conoscere Fermi – nel centenario della nascita 29 settembre 1901-2001 La ricerca continua

praticamente in ognuno dei campi tracciati sin dalle origini dai pionieri ???????

• 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

TIPICO PROGRAMMA di congresso generale FISICA NUCLEARE: (vedi RECENTE NN2012)

UNA VISIONE D’ INSIEME del LABORATORI ( 10000 m^2)

LNS-CATANIA

A B

C

Sorgente

Ioni -

V=0Volt V=15MVolt V=0Volt

q=-e q=+ne

LNS-INFN Catania

ACCELERATORE LINEARE “TANDEM”

Il CICLOTRONE : LNS

Nord

SUD

_ +

Laboratori Nazionali Del Sud

Catania

V

B

F

H.I Energia di Fermi 12C 80MeV/A Au 23MeV/A B=4Tesla R= 90cm

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

Proton-therapy

THE DEAD SEA SCROLLS ANALYSIS: PROVENANCE DETERMINATION

Qumran

XRD

Minerals of Caves

Cave 11 soil - Dolomite

PIXE – 2 MeV

Temple

Scrolls

Br

Cl

160 eV & 80 mm2 Trace elements

Dead Sea

XPIXE

Br

Cl Major elements

PORTABLE SYSTEMS

LNS TANDEM

Xgent.Cc.P.Romano lns

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

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= - 0.104 (cm/%) 3.68

MAGNEX

Scattering

Chamber

Quadrupole Dipole

Focal Plane

Detector

Measured resolution

Energy E/E 1/1000

Angle Δθ 0.3°

Mass Δm/m 1/160

Differential algebraic reconstruction

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.

Xgent.Cc. Cappuzzello-lns

24

The evidence of nuclear rainbow in heavy ion collisions

M.Cavallaro et al. Nuclear Instr. And Meth. A 648 (2011) 46-51 D.Pereira et al. Phys. Lett. B 710 (2012) 426–429

Xgent.Cc. Cappuzzello-lns

Lab.: INFN-LNS Catania (Italy) - Tandem

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, 152501 (2008)

18O(p,a)15N

Position sensitive silicon detector: charge partition

Resistive layer

Silicon strip detector

Nuclear astrophysics Position measurement: Continuous Discrete

18O(d, α15N)n Xgent.Cc. M.LaCognata-lns

Factor of 5 discrepancy at r-

process energies solved

La Cognata et al., The

Astrophysical Journal Letters

706(2009)251

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).

Recommended rate

La Cognata & Del Zoppo, The

Astrophysical Journal 736(2011)148

?

The 8Li(4He,n)11B reaction cross section

Xgent.Cc. A.DelZoppo-lns

Experimental set-up: MEDEA + SOLE + Maciste

MEDEA SOLE MACISTE

MEDEA 180 cristalli di BaF2 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

Xgent.Cc. D.Santonocito-lns

Nucleo stabile :

6 neutroni

6 protoni (carbone) 12C

Si trova in natura

Nucleuo Esotico:

16 neutroni

6 protoni (carbone) 22C

Radioattivo,

Caratteristiche di nucleo esotico: Eccesso of neutroni o protoni,

Breve vita media,

Bassa energia di legame

Cos’e’ un nucleo esotico?

Frammentazione (target o proiettile)

Un po’ di storia

Con la disponibilita’ di fasci di ioni sempre piu’ pesanti e’ stato possibile creare un crescente numero di nuclei fuori dalla valle di stabilita’

Da 300 a 3000 nuovi nuclei

Stable

+ decay

- decay

a decay

p decay

spontaneous fission

Limiti di esistenza dei nuclei

neutron number N

pro

ton

nu

mb

er

Z

Reazioni di Produzione Transfer Reactions

In generale: •Piccate ad angoli in avanti • s 10-1 – 10 mbarn a 10-50 MeV/u

Adattata da A.Bracco (2010)

54Fe + 92Mo 146Er(p4n)141Ho

78Kr + 58Ni 136Gd(p4n)131Eu

Reazioni di Produzione:

Fusione

Energie ione stabile 5-15 MeV/u

Adattata da A.Bracco (2010)

Participant-spectator reactions FERMI ENERGY ( > 50 AMeV )

Reazioni di Produzione

Frammentazione del Proiettile

Da EXOCHIM /CHMERA coll..-INFN SEZ-LNS- (priv. Comm.)

Adattata da A.Bracco (2010)

Reazioni di Produzione Frammentazione della

Targhetta

Rimozione rapida di nucleoni

Spallation Adattata da A.Bracco (2010)

Reazioni di Produzione

Gli isotopi stabili del Rubidio hanno A= 85 e A=87

Adattata da A.Bracco (2010)

Metodi di

Produzione

•In-Flight (Fascio prodotto direttamente nella reazione)

•ISOL (Prodotti di reazione accelerati in un secondo acceleratore)

•Degraders •Tagging

In F

ligh

t

Acceleratore Primario (Driver)

Target di Produzione

Selezionatore e.m.

Utente

ISO

L

Acceleratore Primario (Driver)

Target di Produzione

Selezionatore e.m.

Utente

Acceleratore

EXCYT-LNS

Adapted from:

Per rev. Generale su ISOL , vedi ad esempio: M. Lindroos reporto CERN-AB-2004-086

Tempi estrazione 10^-3-10^-1 s

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

Production Target

Fragmentation Beams CHIMERA Tagging System: MCP + DSSSD

See for example: I. Lombardo et al. NPB 215, 272 (2011)

Large surface (6x4 cm2 MCP)

Silicon Strip Detector (energy loss and beam position) 24x24 or 32x32 (new) 6.4x6.4 cm2

Target

45

Using a primary 18O7+ beam ( used also as pilot beam to set the Br of the dipoles) We have repeated the transport of beams around 11Be performed in December 2009 to test the increase

of production after the upgrading of the fragmentation beam

10Be

16C

13B 12Be

9Li

6He

17C

7Li

T (ns)

E

(MeV

)

Yields normalized to 100 W beam (6.3x1011 p/s) Beam kHz kHz 16C 9 59 13B 4.5 37 E~50 MeV/A P/P <1%

RECENT at LNS: EXOTIC at FERMI ENERGY

2009 2011

16x16 DSSSD 140mm (5x5cm2) 24x24 DSSSD 62mm (2.4x2.4cm2)

Xgent.Cc. G.Cardella-CT