Coordinatore: Alain Goasduff
Sito della Commissione Scientifica Nazionale 3
La CSN3 gestisce e finanzia gli esperimenti legati alla fisica nucleare. L’obiettivo è lo studio dei nuclei atomici, dei loro costituenti e delle interazioni di questi ultimi. Ciò aiuta a comprendere meglio i comportamenti dei corpi celesti da una parte, dall’altra ha applicazioni dirette in campo medico ed energetico.
INFN LNL sono principalmente coinvolti nelle linee di ricerca struttura nucleare e dinamiche di reazione (linea 3), astrofisica nucleare e ricerca tecnologica (linea 4).
Index
GAMMA
Responsabile nazionale: Andrea Gottardo (INFN LNL), Giovanna Benzoni (INFN Milano)
Responsabile locale : Alain Goasduff
Rivelatore Galileo
Rivelatore PRISMA
Rivelatore PISOLO
L’attività del gruppo GAMMA dei LNL si concentra sulle misure di spettroscopia di raggi gamma emessi da nuclei eccitatiti, al fine di investigare come protoni e neutroni si legano insieme per formare la struttura dei nuclei atomici. Il gruppo conduce esperimenti sia in laboratori esteri che ai LNL. In particolare, il gruppo GAMMA gestisce presso i LNL apparati per spettroscopia gamma all’avanguardia nel mondo. Un primo strumento è l’array di rivelatori al germanio iperpuro GALILEO. Si tratta di un rivelatore residente ai LNL, che combina cristalli di germanio di grande efficienza di rivelazione con una elettronica digitale avanzata, permettendo di misurare nuove proprietà dei nuclei. A partire dal 2022, i LNL ospiteranno il rivelatore a tracciamento di raggi gamma AGATA. Questo array di cristalli di germanio segmentati per ricostruire il percorso dei raggi gamma è lo stato dell’arte mondiale nella spettroscopia gamma ed è frutto di una larga collaborazione europea. Il gruppo GAMMA si occupa della sua installazione e del suo utilizzo per misurare con una precisione prima non raggiungibile le caratteristiche della struttura dei nuclei.
PRISMA è un esperimento dedicato allo studio sperimentale di 1) reazioni binarie con l’uso dello spettrometro magnetico per ioni pesanti PRISMA, e 2) reazioni di fusione a bassa energia con il set-up PISOLO, basato su un deflettore elettrostatico di fascio. Ambedue gli apparati sono installati nelle sale sperimentali del complesso di acceleratori Tandem XTU-ALPI-PIAVE, e ne utilizzano i fasci di alta qualità resi disponibili.
Le due linee di ricerca sono strettamente interconnesse in quanto i canali di trasferimento e di fusione vicino alla barriera Coulombiana sono legati da importanti effetti di struttura nucleare che influenzano l’evoluzione della dinamica delle reazioni. Nella fattispecie, le interazioni di pairing di nucleoni e i processi di tunnelling quantistico sono legati in queste reazioni da effetti di canali accoppiati.
PRISMA rappresenta lo stato dell’arte nel campo degli spettrometri a grande angolo solido, basati sulla ricostruzione della traiettoria degli ioni, con un angolo solido di circa 80 msr, una rigidità magnetica di 1.2 Tm, e una risoluzione in massa di 1/220. La grande accettanza e la capacità di identificazione in massa e carica rendono PRISMA uno strumento ideale anche per studi di spettroscopia gamma specialmente nella regione dei nuclei ricchi di neutroni popolati con alte sezioni d’urto attraverso reazioni di trasferimento a molti nucleoni. Negli anni PRISMA è stato utilizzato in combinazione con gli array gamma CLARA (2003-2008), Dimostratore di AGATA (2010-2011) e a partire dalla seconda parte del 2021 verrà accoppiato ad AGATA.
Il deflettore elettrostatico PISOLO rigetta il fascio con alta efficienza, e permette di identificare i residui di fusione-evaporazione nel telescopio di rivelatori DE-E-ToF installato a valle. Gli ER vengono rivelati intorno a 0o fino a sezioni d’urto 0.5-1 mb. La semplicità di PISOLO lo rende un dispositivo potente, nonostante il suo piccolo angolo solido.
NUCLEX
Responsabile nazionale: Simone Valdre (INFN Firenze), Giuseppe Verde (INFN Catania)
Responsabile locale: Tommaso Marchi
Rivelatore Fazia
La collaborazione NUCLEX si occupa dello studio della dinamica delle reazioni indotte da fasci di energia bassa (da pochi a decine di MeV/nucleone) o di energia intermedia (dalle decine di MeV/nucleone). Obiettivi principali sono verificare gli effetti di struttura nucleare utilizzando come sonde proiettili carichi ed ottenere maggiori informazioni sulle proprietà dei nuclei e della materia nucleare in condizioni lontane dalla stabilità.
A “basse” energie (5-10 MeV/nucleone) le interazioni nucleari sono dominate dal campo medio e si assiste, nel caso di collisioni centrali, alla formazione di un nucleo composto eccitato, che tenderà a decadere perlopiù con meccanismi evaporativi e di fissione descrivibili con un modello statistico. Tali reazioni sono studiate dalla linea di ricerca “SPES-GARFIELD” della collaborazione NUCLEX. Nonostante l’accordo tra dati sperimentali e modelli statistici sia molto buono, in anni recenti, sono state evidenziate delle discrepanze imputabili alla particolare struttura dei nuclei interagenti e/o del nucleo composto (nuclei alpha-coniugati). Anche effetti di pre-equilibrio possono contribuire ad aumentare tale discrepanza. L’uso del rivelatore GARFIELD+RCo (situato ai LNL), avente ampia copertura angolare ed elevata granularità, permette l’identificazione in carica e massa di prodotti carichi in un vasto range di cariche, misurandone l’energia. In particolare, nel caso di sistemi leggeri è possibile selezionare canali di reazione molto esclusivi che permettono di valutare efficacemente le capacità di previsione del modello statistico.
In vista della disponibilità di fasci radioattivi di bassa intensità e di bassa energia, che saranno prodotti con SPES ai LNL, la collaborazione NUCLEX ha sviluppato un target attivo ATS (Active Target for SPES) con l’obiettivo di studiare le reazioni di scattering elastico e anelastico e le reazioni di trasferimento di pochi nucleoni. Per una migliore ricostruzione delle reazioni di interesse, ATS può essere accoppiato con diversi rivelatori ancillari, tra cui OSCAR, anch’esso sviluppato all’interno della collaborazione NUCLEX. OSCAR è un rivelatore modulare con due stadi di rivelazione (SSSSD e pad di silicio) che permette l’identificazione di particelle di bassa energia (circa 1 MeV/nucleone) grazie all’elevata accettanza. Può essere usato sia come ancillare che standalone.
Alle energie intermedie (20-50 MeV/nucleone) i meccanismi di reazione sono determinati sia dal campo medio sia dalle collisioni nucleone-nucleone. Per collisioni centrali, si assiste a meccanismi che vanno dalla collisione binaria alla multiframmentazione, trattati teoricamente con modelli di trasporto. La linea di ricerca “FAZIA” della collaborazione NUCLEX si occupa di tali studi e ha come obiettivo principale quello di studiare le proprietà dei nuclei e della materia nucleare in condizioni estreme di densità e temperatura. Le campagne di misura sperimentali sono rivolte principalmente allo studio dell’equazione di stato della materia nucleare (in particolare al termine di simmetria) e delle correlazioni a più corpi. Il rivelatore FAZIA , attualmente a GANIL, permette di studiare la termodinamica e la dinamica dei nuclei esotici, esplorando i gradi di libertà di isospin della materia nucleare. È un rivelatore modulare completamente basato su elettronica digitale custom, che rappresenta lo stato dell’arte in termini di capacità di identificazione in massa e carica dei prodotti carichi e di soglie di rivelazione. L’unità minima di FAZIA è il blocco, costituito da 16 telescopi Si-Si-CsI(Tl).
n_TOF
Responsabile nazionale: Luigi Giovanni Cosentino (INFN LNS)
Responsabile locale : Pierfrancesco Mastinu
Neutron Time-of-Flight (n_TOF) è un esperimento del CERN volto alla misura della sezione d’urto di reazioni indotte da neutroni attraverso la tecnica del tempo di volo. I neutroni vengono prodotti dal fascio primario di protoni da 20 GeV/c del PS (proton syncroton), nel complesso di acceleratori del CERN. L’ampio range di energia dei neutroni (dai meV ai GeV) e l’alta risoluzione energetica, permette di effettuare misure utili per diverse aree di ricerca come l’astrofisica nucleare (nucleosintesi degli elementi pesanti, nucleosintesi primordiale), le tecnologie nucleari emergenti (acceleratori reactor-driven, trasformazione delle scorie nucleari, reattori di IV generazione, reattori a fusione), medicina nucleare (misura di sezioni d’urto per la produzione di radioisotopi) e struttura nucleare (livelli nucleari, barriere di fissione, lunghezza di scattering dei neutroni).
I Laboratori Nazionali di Legnaro hanno contribuito allo sviluppo di scintillatori C6D6 a bassa neutron sensitivity, al monitor di fascio di neutroni, al calorimetro a 4 π (con un brevetto INFN come spin-off) e alla realizzazione di preamplificatori a reset attivo.
PANDORA
Responsabile nazionale: David Mascali (INFN LNS), Domenico Santonocito (INFN LNS)
Responsabile locale : Alessio Galatà
PANDORA (Plasma for Astrophysics, Nuclear Decays Observation and Radiation for Archaeometry) è un progetto interdisciplinare innovativo il cui scopo è la misura del rate di decadimento, in funzione dello stato di ionizzazione, di radionuclidi β (ad esempio il 176Lu) coinvolti in diversi processi in astrofisica (nucleosintesi stellare) e cosmologia (cosmocronometri e nucleosistesi primordiale). Le specie radioattive verranno iniettate un plasma prodotto all’interno di una trappola magnetica (che rispecchierà, in scala, un tipico ambiente stellare in termini di stati di ionizzazione) dentro la quale subiranno il processo di ionizzazione per impatto da elettroni energetici. La trappola sarà corredata da un completo sistema di diagnostiche, in grado di rivelare non solo i raggi gamma che si accompagnano al decadimento β, ma anche le emissioni proprie del plasma (visibile, X, microonde) dalle quali sarà possibile dedurne i parametri (densità e temperatura) con una precisione mai raggiunta finora. Il progetto è in costruzione presso INFN LNS.
LUNA3
Responsabile nazionale: Alba Formicola (INFN ROMA1)
Responsabile locale: Valentino Rigato
L’esperimento LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) si occupa di riprodurre in laboratorio le reazioni nucleari che generano la maggior parte dell’energia prodotta dalle stelle e che hanno permesso la sintesi degli elementi all’interno delle stelle e nell’Universo primordiale. Tali reazioni sono caratterizzate da una sezione d’urto molto piccola alle energie di interesse astrofisico e risultano molto difficili da misurare in laboratori alla superficie terrestre dove il fondo cosmico maschererebbe il debole segnale atteso. Negli ultimi 25 anni la collaborazione LUNA ha installato due acceleratori (LUNA 50 e LUNA 400) nei laboratori sotterranei dei LNGS e misurato alcune reazioni chiave del ciclo di combustione dell’idrogeno e della nucleosintesi primordiale. Recentemente è stato installato l’acceleratore LUNA MV che consentirà di misurare anche reazioni dei cicli di combustione dell’elio e del carbonio.
Per i programmi agli acceleratori LUNA400 e LUNA MV dei LNGS, i Laboratori Nazionali di Legnaro sono pienamente coinvolti nella preparazione e caratterizzazione dei bersagli solidi nucleari, che viene effettuata principalmente in tre ambiti principali:
1) preparazione e studio bersagli a film sottile stabili e di elevata purezza e resistenza alla radiazione:
Deposizione da fase vapore mediante la tecnica di “reactive pulsed plasma sputtering” di nitruri e ossidi stabili per le reazioni 16O(p, γ)17F e 14N(p,γ)15O .
Deposizione da fase vapore e trattamento superficiale di supporti in Tantalio ultra-puro a basso fondo di neutroni e raggi gamma.
Evaporazione con cannone elettronico (E-beam evaporation) di film isotopici per le reazioni 27Al(p,α)24Mg e 13C(α,n)16O.
Studio di bersagli in grafite pirolitica altamente orientata (Highly Oriented Pyrolitic Graphite –HOPG) per le reazioni 12C(12C,p)23Na and 12C(12C,α)20Ne.
2) la caratterizzazione delle proprietà fisiche dei bersagli prima dell’irraggiamento e dopo l’accumulo di carica nelle campagne di misura, con tecniche di fisica nucleare applicate ai materiali (Ion Beam Analysis per analisi di composizione e profilo di concentrazione, analisi di elementi in traccia con le tecniche EBS, NRA, PIGE, PIXE che utilizzano gli acceleratori Van De Graaff AN2000 e CN) e con microscopia elettronica (SEM) per studi morfologici e con microscopia a forze atomiche (AFM) per studi di rugosità superficiale.
3) lo studio e la modellizzazione di danni causati dal fascio con metodi Monte Carlo di interazione ione-superficie.
ALICE
Responsabile nazionale: Federico Antinori (INFN Padova)
Responsabile locale: Massimo Biasotto
ALICE è uno dei quattro esperimenti dell’acceleratore LHC (Large Hadron Collider) situato al CERN. È progettato per studiare la fisica della materia a densità di energia estreme: la collisione di fasci di ioni di piombo in LHC è in grado di generare temperature e densità estreme, ricreando in laboratorio condizioni simili a quelle immediatamente successive al Big Bang. Solo in queste condizioni estreme si può creare un particolare stato della materia chiamato “plasma di quark-gluoni”, e lo scopo di ALICE è proprio lo studio di questo stato e delle sue proprietà. Questo è possibile grazie al gigantesco rivelatore di ALICE, lungo 26 metri, alto 16, largo 16 e del peso di 10000 tonnellate, che è progettato per misurare, nel modo più completo possibile, le particelle che si producono nel suo centro, dove avviene la collisione dei fasci accelerati di LHC. Il rivelatore produce un’enorme quantità di dati che per essere analizzati vengono distribuiti su molti centri di calcolo, in varie parti del mondo, che insieme costituiscono una grande “rete di calcolo” (“computing grid”). I Laboratori di Legnaro ospitano uno di questi centri di calcolo dedicati all’analisi dei dati di LHC, ad uso degli esperimenti ALICE e CMS.
Il principale contributo del gruppo LNL è relativo al calcolo, come Tier2 della collaborazione.
SPES_MED
Responsabile nazionale: Emilio Mariotti (INFN Pisa)
Responsabile locale: Gaia Pupillo
SPES_MED è un progetto triennale finanziato dalla CSN3 dell’INFN e focalizzato sulla struttura SPES (Selective Production of Exotic Species). Il cuore di SPES è il ciclotrone per protoni da 70 MeV con estrazione a doppio fascio, installato e messo in servizio in un nuovo edificio dotato di laboratori ausiliari attualmente in costruzione. L’obiettivo principale di SPES è la realizzazione di una struttura ISOL (Isotope Separation On-Line) avanzata per la produzione di fasci di ioni esotici riaccelerati per studi di fisica nucleare fondamentale. Il sistema di estrazione a doppio fascio del ciclotrone consente di svolgere contemporaneamente attività di ricerca applicata, come la produzione di radionuclidi per la medicina (SPES-γ). Il progetto SPES_MED riunisce le comunità interdisciplinari dei progetti LARAMED (LAboratory of RAdionuclides for MEDicine) e ISOLPHARM (ISOL technique for radioPHARMaceuticals).
Gli obiettivi principali di SPES_MED sono: 1. Eseguire misure di sezioni d’urto nucleari volte all’ottimizzazione della produzione di radionuclidi medicali, utilizzando anche strumenti di modellazione nucleare per individuare le migliori condizioni di irradiazione; 2. Fornire una misura precisa delle rese di produzione di ISOL derivanti da target SiC e TiC; 3. Confrontare i dati prodotti con le librerie di simulazione esistenti, allo scopo di fornire un benchmark sperimentale quando le previsioni teoriche falliscono.