Una sezione d'urto alle energie stellari si può misurare direttamente, puntando un fascio su un bersaglio e contando le reazioni, oppure ricavare da altre reazioni e dalla teoria. Ogni strada ha la sua portata e i suoi limiti sistematici.
Metodi
Misura diretta in laboratorio sotterraneo
In un laboratorio sotterraneo un acceleratore invia un fascio su un bersaglio, e i rivelatori contano i prodotti della reazione. La roccia sovrastante ferma la maggior parte dei raggi cosmici, così i rivelatori possono vedere reazioni che avvengono solo poche volte al giorno, a energie vicine a quelle dell'interno delle stelle.
Per specialisti
L'osservabile è la resa della reazione per proiettile incidente, misurata con rivelatori di raggi γ o di particelle cariche in funzione dell'energia del fascio. La sezione d'urto, o l'intensità della risonanza per le risonanze strette, si ricava dalla resa, dalla stechiometria e dallo spessore del bersaglio, dal potere frenante e dall'efficienza di rivelazione. Sotto terra il flusso di muoni e i fondi di raggi γ e di neutroni indotti dai muoni si riducono di ordini di grandezza, e con essi la resa minima misurabile. Il fondo residuo viene dalla radioattività ambientale della roccia e dell'apparato, e dalle reazioni indotte dal fascio sui contaminanti del bersaglio. I limiti sistematici tipici sono l'integrazione della corrente del fascio, lo spessore del bersaglio e il suo degrado sotto fascio, l'energia efficace di interazione in un bersaglio spesso o che si degrada, l'efficienza di rivelazione dei raggi γ comprese le somme e le distribuzioni angolari, e lo schermaggio elettronico alle energie più basse.
Punti di forza
+Misura direttamente la reazione che interessa, senza un modello nucleare.
+Per molte reazioni di combustione dell'idrogeno raggiunge energie dentro la finestra di Gamow o vicine.
+Il fondo basso permette lunghe misure su sezioni d'urto molto piccole.
Limiti
−Esistono poche infrastrutture, e il tempo di fascio è limitato.
−Alle energie più basse la resa è ancora piccola e domina l'incertezza statistica.
−I dati di laboratorio includono lo schermaggio elettronico, diverso da quello di un plasma stellare.
−Al di sotto della più bassa energia misurata serve comunque un'estrapolazione, di solito R-matrix.
Lo stesso tipo di esperimento in un normale laboratorio in superficie. Copre un intervallo molto più ampio di energie e di fasci, ma i raggi cosmici limitano quanto piccola possa essere una sezione d'urto misurabile.
Per specialisti
Le rese si misurano come sotto terra, ma il fondo dei muoni cosmici e dei loro secondari limita la sensibilità per raggi γ fino a qualche MeV, a meno di usare schermature attive o passive. I dati in superficie fissano di solito la parte ad alta energia della funzione di eccitazione, le energie e le larghezze delle risonanze, e i rapporti di diramazione γ e le distribuzioni angolari di cui ha bisogno un fit R-matrix. Spesso sono l'ingrediente principale dell'estrapolazione nella finestra di Gamow. I limiti sistematici sono gli stessi che sotto terra, con in più la sottrazione del fondo.
Punti di forza
+Ampia scelta di acceleratori, fasci ed energie.
+Fornisce distribuzioni angolari, rapporti di diramazione e i dati ad alta energia che vincolano i fit R-matrix.
Limiti
−Il fondo dei raggi cosmici limita la più piccola sezione d'urto misurabile.
−I dati a bassa energia dipendono da un'estrapolazione.
I ruoli di fascio e bersaglio si scambiano: un fascio pesante colpisce un bersaglio leggero, per esempio idrogeno o elio gassoso. I nuclei prodotti volano in avanti insieme al fascio, e un separatore di rinculo li isola e li conta.
Per specialisti
In una cattura radiativa A(a,γ)B studiata come a(A,γ)B, il nucleo di rinculo B esce dal bersaglio in uno stretto cono in avanti. Un separatore elettromagnetico sopprime il fascio che non ha reagito di molti ordini di grandezza, e i nuclei di rinculo sono identificati sul piano focale, spesso in coincidenza con i raggi γ di cattura. Il metodo misura la sezione d'urto totale di cattura senza bisogno di un modello dell'efficienza γ, e funziona con fasci radioattivi. I limiti sistematici sono l'accettanza e la trasmissione del separatore, la distribuzione degli stati di carica dei nuclei di rinculo, la soppressione del fascio, la densità del bersaglio gassoso e la normalizzazione del fascio.
Punti di forza
+Dà direttamente la sezione d'urto totale, indipendentemente dalla cascata γ.
+Funziona con fasci di nuclei a vita breve, con cui non si possono fare bersagli.
Limiti
−Il cono di rinculo deve rientrare nell'accettanza del separatore, il che limita reazioni ed energie.
−Il fascio che attraversa il separatore limita la più piccola resa misurabile.
−Le frazioni degli stati di carica vanno misurate o modellate.
Quando il prodotto della reazione è radioattivo, il bersaglio viene irraggiato e poi portato in una stazione di conteggio a basso fondo. Il numero di decadimenti dà il numero di reazioni.
Per specialisti
Il numero di nuclei prodotti si ricava dalla loro radiazione di decadimento, misurata a parte, insieme al tempo di dimezzamento e al rapporto di diramazione del decadimento. Il metodo dà la sezione d'urto totale, sommata su tutte le cascate γ e integrata sugli angoli, ed evita così le correzioni per somma e per distribuzione angolare della spettroscopia γ in linea (prompt). I prodotti a vita lunga si possono anche contare atomo per atomo con la spettrometria di massa con acceleratore. I limiti sistematici sono i dati di decadimento, l'efficienza di conteggio, la storia dell'irraggiamento e la perdita di nuclei prodotti dal bersaglio.
Punti di forza
+Sezione d'urto totale, indipendente dalla cascata γ e dalla distribuzione angolare.
+Il conteggio si può fare in un ambiente a basso fondo, lontano dal fascio.
Limiti
−Richiede un prodotto radioattivo con un tempo di dimezzamento adatto.
Si producono neutroni di energie molto diverse in brevi impulsi. Il tempo che un neutrone impiega a raggiungere il campione ne dice l'energia, così un solo esperimento misura la sezione d'urto a molte energie.
Per specialisti
Nelle sorgenti a spallazione o a fotoneutroni l'energia del neutrone si ricava dal tempo di volo lungo un percorso noto. La cattura si misura con rivelatori di raggi γ, le reazioni con particelle cariche con rivelatori al silicio o a gas. Dai dati in funzione dell'energia si calcolano poi le sezioni d'urto mediate su una maxwelliana alle temperature stellari. I limiti sistematici comprendono la forma del flusso di neutroni, la massa del campione, la risposta del rivelatore e i fondi dovuti ai neutroni diffusi.
Punti di forza
+Copre molte energie in una sola misura.
+Si applica alle catture di neutroni e alle reazioni indotte da neutroni su campioni radioattivi.
Limiti
−Richiede un campione del nucleo bersaglio, difficile da ottenere per i nuclei a vita breve.
−Il flusso di neutroni deve essere noto su tutto l'intervallo di energia.
Un metodo indiretto in cui il nucleo che interessa viene portato dentro un nucleo più grande, il cavallo di Troia, a un'energia sopra la barriera coulombiana. La reazione con il nucleo trasportato si può allora studiare a energie efficaci molto basse.
Per specialisti
Una reazione a due corpi A + x → c + C a energia sotto la barriera coulombiana si studia attraverso una reazione a tre corpi A + a → c + C + s, in cui a ha una marcata struttura a cluster x + s e s fa da spettatore. In cinematica quasi libera la sezione d'urto a tre corpi misurata si fattorizza in un fattore cinematico, nella distribuzione dei momenti di x dentro a e nella sezione d'urto a due corpi «half-off-energy-shell». Il metodo dà l'andamento in energia della sezione d'urto del nucleo nudo, senza soppressione coulombiana né schermaggio elettronico; la sua scala assoluta è normalizzata ai dati diretti a energie più alte. I limiti sistematici sono la validità della fattorizzazione quasi libera, la distribuzione dei momenti adottata, le correzioni fuori shell e la normalizzazione.
Punti di forza
+Raggiunge energie molto al di sotto di quelle accessibili direttamente, senza schermaggio elettronico.
+Si applica alle reazioni indotte da particelle cariche e a quelle indotte da neutroni.
Limiti
−Richiede una normalizzazione ai dati diretti.
−Dipende dal modello di reazione quasi libera e dalle sue ipotesi.
A energie molto basse la cattura avviene a grande distanza dal nucleo, dove conta solo la coda della funzione d'onda dello stato finale. Una reazione di trasferimento a energia più alta può misurare l'ampiezza di quella coda, che dà poi il tasso di cattura a bassa energia.
Per specialisti
Il coefficiente di normalizzazione asintotica (ANC) fissa l'ampiezza della funzione d'onda dello stato legato all'esterno del nucleo. Per reazioni di trasferimento periferiche, misurate a energie dove la sezione d'urto è grande, l'ANC si può estrarre con una dipendenza molto minore dai parametri del modello ottico e di particella singola rispetto a un fattore spettroscopico. L'ANC determina poi, in un calcolo R-matrix, il contributo della cattura diretta esterna e quello degli stati sotto soglia. I limiti sistematici sono i potenziali ottici, la perifericità della reazione e il modello di reazione (DWBA o canali accoppiati).
Punti di forza
+Dà la cattura diretta a bassa energia e i contributi degli stati sotto soglia senza misurare la cattura stessa.
+Usa reazioni con sezioni d'urto grandi.
Limiti
−Dipende dal modello attraverso i potenziali ottici e la teoria della reazione.
−Copre solo le parti non risonante e sotto soglia del tasso di reazione.
Non è una misura della reazione stessa, ma di uno dei suoi ingredienti. La vita media di uno stato eccitato del nucleo prodotto fissa quanto intensamente quello stato partecipa alla cattura. Le vite medie molto brevi si misurano da quanto i raggi γ emessi sono spostati per effetto Doppler mentre il nucleo di rinculo rallenta nel bersaglio.
Per specialisti
Nel metodo dell'attenuazione dello spostamento Doppler (DSAM) il nucleo viene popolato da una reazione che gli imprime una velocità di rinculo nota, e l'energia del raggio γ si misura mentre il nucleo rallenta nel bersaglio o nel supporto. L'attenuazione dello spostamento Doppler completo, confrontata con il potere frenante, dà vite medie da circa 1 fs a 1 ps. La larghezza radiativa che ne segue entra in un fit R-matrix della cattura, per esempio per uno stato sotto soglia la cui coda raggiunge la finestra di Gamow. I limiti sistematici sono i poteri frenanti, noti al massimo a qualche per cento, e la sensibilità alle vite medie più brevi, dove l'attenuazione è quasi completa.
Punti di forza
+Vincola la larghezza di uno stato che non si raggiunge direttamente a bassa energia.
+È indipendente dalla sezione d'urto di cattura e dalla sua normalizzazione.
Limiti
−Dipende dai poteri frenanti.
−Le vite medie sotto circa un femtosecondo sono difficili da risolvere.
È l'inverso temporale di una cattura. Un fascio veloce del nucleo prodotto passa vicino a un bersaglio pesante, e l'intenso campo elettrico lo spezza. Dal tasso di rottura si può calcolare la sezione d'urto di cattura.
Per specialisti
Baur, Bertulani e Rebel proposero il metodo nel 1986. I fotoni virtuali del campo coulombiano di un bersaglio ad alto Z inducono la fotodissociazione B + γ → A + a, legata alla cattura A(a,γ)B dal bilancio dettagliato. La sezione d'urto di dissociazione è grande grazie all'alto flusso di fotoni virtuali, e si possono usare fasci radioattivi. I limiti sistematici sono i contributi della rottura nucleare, dei multipoli superiori (E2 in un caso dominato da E1), della post-accelerazione nel campo coulombiano, e il modello di reazione usato per estrarre la sezione d'urto di fotodissociazione.
Punti di forza
+Sezioni d'urto grandi e uso di fasci radioattivi.
+Sono accessibili basse energie relative tra i frammenti.
Limiti
−Dipende dal modello di reazione e dalla separazione dei multipoli.
−Vanno sottratti gli effetti nucleari e coulombiani di ordine superiore.
I laser comprimono e scaldano una piccola capsula di combustibile finché i nuclei non si fondono. Le reazioni avvengono allora in un plasma caldo, come nelle stelle, invece che tra un fascio e un bersaglio freddo.
Per specialisti
Le rese delle reazioni si misurano dai neutroni, dalle particelle cariche o dai raggi γ emessi, mentre la temperatura e la densità del plasma si ricavano da altre diagnostiche. Il metodo campiona direttamente la reattività mediata termicamente e permette di studiare effetti di plasma come lo schermaggio. I limiti sistematici sono la conoscenza delle condizioni del plasma, che variano nello spazio e nel tempo, e la separazione della reazione che interessa dalle altre reazioni nel combustibile. Alla National Ignition Facility, Casey et al. hanno misurato i fattori S della 2H(d,n)3He e della 3H(t,2n)4He in implosioni a temperature di 2,1–5,4 keV e densità di 1,2–16 g cm−3, in accordo con i dati da acceleratore entro le incertezze.
Punti di forza
+Studia le reazioni in un plasma termico.
+Permette di studiare reazioni tra nuclei leggeri radioattivi come il trizio.
Limiti
−Le condizioni del plasma sono note solo in modo approssimato.
−Finora è limitato alla fusione dei nuclei più leggeri.
Quando il bersaglio di una cattura di neutroni è troppo radioattivo per farne un campione, la reazione si può studiare all'indietro: i raggi γ strappano un neutrone al nucleo prodotto, e quello che si impara sul nucleo serve a calcolare la cattura.
Per specialisti
Fasci di fotoni monoenergetici e polarizzati prodotti per diffusione Compton inversa di luce laser, come HIγS al Triangle Universities Nuclear Laboratory, misurano la sezione d'urto (γ,n) del prodotto della cattura a partire dall'energia di separazione del neutrone; insieme ai dati (γ,γ′) al di sotto di essa fissano la funzione di intensità γ, la principale incertezza delle sezioni d'urto di cattura del modello statistico. Il risultato è un calcolo vincolato, non una misura della cattura stessa; il punto di diramazione 85Kr ne è un esempio (Raut et al. 2013).
Punti di forza
+Non serve un campione radioattivo del nucleo che cattura.
+Vincola l'intensità γ, il dato più debole del modello statistico.
Limiti
−Dà la sezione d'urto di cattura solo attraverso un modello.
−Studia il nucleo prodotto, non la reazione che avviene nella stella, alle energie stellari.
Alcuni tassi di reazione non si possono misurare affatto alle energie stellari, e vengono invece calcolati. Il caso principale è la fusione debole di due protoni che avvia la produzione di energia del Sole.
Per specialisti
Per i processi di interazione debole come p + p → d + e+ + ν la sezione d'urto è troppo piccola per qualunque misura di laboratorio e si calcola dalla teoria nucleare. Per le catture radiative e le reazioni risonanti, modelli R-matrix e microscopici estrapolano i dati misurati alle energie stellari. Anche i tassi di cattura elettronica nel plasma solare vengono dalla teoria.
Punti di forza
+È l'unica fonte per alcuni tassi di interazione debole.
+Fornisce l'andamento in energia che collega i dati misurati alle energie stellari.
Limiti
−La precisione dipende dal modello nucleare e dai suoi ingredienti.
−Le estrapolazioni hanno bisogno di dati che le vincolino.
Acceleratori sotto la roccia, dove il fondo dovuto ai raggi cosmici è abbastanza basso da misurare le sezioni d'urto più piccole.
1In superficie i raggi cosmici producono una pioggia continua di muoni, che lasciano segnali in qualunque rivelatore di raggi γ.
2Circa 1400 m di roccia (3800 m di acqua equivalente) fermano tutti i muoni tranne circa uno su un milione.
3LUNA 400 kV: fasci di protoni e di elio per la combustione dell'idrogeno, dai primi anni 2000.
4La macchina da 3,5 MV della Bellotti Ion Beam Facility (BIBF), inaugurata nel 2023: fasci di protoni, elio e carbonio per la combustione dell'elio e del carbonio.
5Il fascio colpisce un bersaglio; un rivelatore intorno conta i raggi γ o le particelle delle poche reazioni.
Schema, non in scala.
LUNA 50 kV
LUNA
Laboratorio
Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN)
Luogo
Assergi, L'Aquila, Italia
Profondità
circa 1400 m di roccia, pari a 3800 m di acqua equivalente
Acceleratore
acceleratore di ioni da 50 kV con bersaglio gassoso senza finestre
Anni
descritto nel 1994; primi risultati sulla 3He(3He,2p)4He nel 1996
Il primo acceleratore costruito in profondità sotto terra per l'astrofisica nucleare. Era una piccola macchina pilota, installata sotto il Gran Sasso per dimostrare che la roccia sovrastante elimina abbastanza fondo dovuto ai raggi cosmici da misurare reazioni di fusione alle energie che si trovano nel Sole.
Per specialisti
Acceleratore compatto da 50 kV con un bersaglio gassoso senza finestre a pompaggio differenziale, un calorimetro di fascio per la misura della corrente e telescopi di rivelatori al silicio per i prodotti carichi della reazione. Era progettato per misurare la 3He(3He,2p)4He nel picco di Gamow solare, e scese fino a 16,5 keV.
circa 1400 m di roccia, pari a 3800 m di acqua equivalente
Acceleratore
acceleratore elettrostatico da 400 kV (LUNA II)
Anni
in funzione dai primi anni 2000 (articolo sull'acceleratore del 2003)
Il secondo acceleratore di LUNA, installato al Gran Sasso dopo la macchina pilota da 50 kV. Il suo fascio di protoni, molto stabile, è stato usato per la maggior parte delle misure sotterranee della combustione dell'idrogeno.
Per specialisti
Acceleratore da 400 kV ad alta corrente. Scansioni di risonanze hanno dato un'energia assoluta dei protoni nota entro circa ±300 eV, una dispersione in energia inferiore a 100 eV e una deriva a lungo termine di circa 5 eV all'ora. È stato usato sia con bersagli solidi e rivelatori HPGe sia con un bersaglio gassoso senza finestre e un rivelatore BGO 4π a somma.
circa 1400 m di roccia, pari a 3800 m di acqua equivalente
Acceleratore
Singletron da 3,5 MV (High Voltage Engineering Europa), tensione di terminale 0,3–3,5 MV, sorgente di ioni ECR
Anni
installato nel 2022; inaugurato nell'ottobre 2023
Un laboratorio sotterraneo del Gran Sasso, dotato di un acceleratore da 3,5 MV e intitolato a Enrico Bellotti, il primo direttore del laboratorio. I suoi fasci di protoni, elio e carbonio estendono le misure sotterranee dalla combustione dell'idrogeno a quella dell'elio e del carbonio.
Per specialisti
Il Singletron ha una sorgente ECR a magneti permanenti da 10 GHz e fornisce circa 1 mA di protoni, 0,5 mA di elio e 0,15 mA di carbonio. L'articolo di progetto riporta una stabilità in energia migliore di 10−5 e un'ondulazione residua (ripple) della tensione di terminale di 1,5 × 10−5. L'impianto è aperto a utenti esterni ed è gestito dal servizio acceleratori dei LNGS, con il tempo di fascio assegnato tramite bandi annuali.
circa 2400 m di marmo, 6720 metri di acqua equivalente
Acceleratore
piattaforma da 400 kV ad alta corrente con sorgenti di ioni ECR (H+, He+, He2+)
Anni
primi esperimenti sotterranei all'inizio del 2021
Il Jinping Underground laboratory for Nuclear Astrophysics, un acceleratore ad alta corrente nel cuore di una montagna nel sud-ovest della Cina. Come LUNA, usa la roccia sovrastante per ridurre il fondo dovuto ai raggi cosmici.
Per specialisti
La piattaforma da 400 kV è stata progettata per 10 emA di H+ e He+ e 2 emA di He2+ da sorgenti ECR. All'inizio del 2021 ha funzionato per più di 2000 ore sotto terra, con rivelatori BGO e di neutroni, su reazioni tra cui 12C(α,γ)16O, 13C(α,n)16O, 25Mg(p,γ)26Al e 19F(p,α)16O. Il flusso di muoni misurato nel laboratorio è (3,53 ± 0,22 ± 0,07) × 10−10 cm−2 s−1.
Van de Graaff JN, da circa 150 kV a 1,1 MV, trasferito da Notre Dame
Anni
primo fascio nel 2017, inaugurato nel luglio 2017
Il Compact Accelerator System for Performing Astrophysical Research, un acceleratore sotterraneo nell'ex miniera d'oro di Homestake, dove Davis condusse il suo esperimento sui neutrini solari. È usato soprattutto per le reazioni indotte da elio, comprese le sorgenti di neutroni stellari.
Per specialisti
Un Van de Graaff di tipo JN che funzionava in superficie a Notre Dame è stato trasferito dal 2015 al livello 4850 ft di SURF. Fornisce fasci di protoni e di particelle α di 200–250 μA sul bersaglio. La collaborazione CASPAR indica un flusso di muoni di circa 4,4 × 10−9 cm−2 s−1. CASPAR è gestito da Notre Dame, dalla South Dakota School of Mines and Technology e dalla Colorado School of Mines.
Laboratorio sotterraneo Felsenkeller (HZDR e TU Dresden)
Luogo
Dresda, Germania
Profondità
45 m di roccia
Acceleratore
Pelletron da 5 MV (NEC 15SDH-2), con una sorgente di ioni a sputtering esterna e una sorgente RF interna
Anni
inaugurato il 4 luglio 2019
Un laboratorio con acceleratore a bassa profondità, in gallerie sotto una collina di Dresda. La roccia sovrastante, insieme a rivelatori che escludono i muoni cosmici, abbassa il fondo abbastanza per molte reazioni difficili da misurare in superficie.
Per specialisti
La roccia riduce il flusso di muoni di un fattore 40 e quello di neutroni di un fattore 180 rispetto alla superficie. Con un veto attivo per i muoni il fondo di raggi γ è circa il doppio di quello di un sito sotterraneo profondo. Il Pelletron era usato in precedenza a York per la spettrometria di massa con acceleratore del 14C. Le correnti tipiche arrivano a 30 μA per elio e carbonio. Il laboratorio è gestito congiuntamente da HZDR e TU Dresden.
Acceleratori, separatori di rinculo e sorgenti di neutroni in superficie, da cui vengono i dati a energia più alta e la maggior parte delle misure indirette.
HZDR Tandetron, Dresden-Rossendorf
Laboratorio
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Luogo
Dresda, Germania
Acceleratore
Tandetron da 3 MV dell'Ion Beam Center di HZDR
Un acceleratore tandem in superficie al centro Helmholtz di Dresda, usato per misure di cattura di protoni e di particelle alfa.
tandem FN da 10 MV, Pelletron single-ended Sta. Ana da 5 MV (2012), tandem St. Andre da 3 MV (2017)
Un laboratorio universitario con diversi acceleratori per l'astrofisica nucleare, usato per reazioni di cattura e indotte da particelle alfa. Ne fa parte il separatore di rinculo St. George.
separatore di rinculo sull'acceleratore Sta. Ana da 5 MV
Un separatore di rinculo costruito per studiare le catture di elio in cinematica inversa. Un fascio pesante colpisce un bersaglio di elio gassoso, e il separatore isola i pochi nuclei prodotti, scartando il fascio, molto più intenso.
Per specialisti
St. George (Strong Gradient Electromagnetic Online Recoil separator for capture Gamma Ray Experiments) è stato progettato per reazioni (α,γ) in cinematica inversa con fasci fino a circa A = 40, con un'accettanza angolare di 40 mrad e un'accettanza in energia del 7,4%.
Couder et al., Nucl. Instrum. Methods A 587, 35 (2008)
LENA, TUNL
Laboratorio
Triangle Universities Nuclear Laboratory
Luogo
Durham, North Carolina, Stati Uniti
Acceleratore
acceleratore ECR da 230 kV e Van de Graaff JN da 1 MV; con l'aggiornamento LENA II è stato aggiunto un Singletron da 2 MV
Il Laboratory for Experimental Nuclear Astrophysics, un'infrastruttura in superficie con acceleratori a bassa energia e alta corrente. Usa insiemi di rivelatori con schermature attive contro i raggi cosmici per misurare risonanze deboli di cattura protonica.
Il Detector of Recoils And Gammas Of Nuclear reactions, un separatore di rinculo all'infrastruttura per fasci radioattivi di TRIUMF. Misura catture radiative in cinematica inversa, comprese catture su nuclei a vita breve con cui non si possono fare bersagli.
Per specialisti
DRAGON ha un bersaglio gassoso senza finestre circondato da un insieme di rivelatori di raggi γ, un separatore elettromagnetico di massa per i nuclei di rinculo e rivelatori sul piano focale. È stato messo in funzione con fasci stabili e radioattivi di ISAC; il suo primo studio con fascio radioattivo è stato 21Na(p,γ)22Mg.
Hutcheon et al., Nucl. Instrum. Methods A 498, 190 (2003)
ERNA recoil separator
Laboratorio
Laboratorio CIRCE, Caserta (alla Ruhr-Universität Bochum fino al 2009)
Luogo
Caserta, Italia
Acceleratore
separatore di rinculo, prima sul Dynamitron da 4 MV di Bochum, dal 2009 al CIRCE
L'European Recoil separator for Nuclear Astrophysics, costruito per misurare reazioni di cattura di elio come la 12C(α,γ)16O in cinematica inversa, contando direttamente i nuclei prodotti.
Per specialisti
ERNA è stato costruito al Dynamitron da 4 MV di Bochum per rivelare i nuclei di rinculo di 16O dalla 12C(α,γ)16O. Filtri di Wien prima e dopo il magnete di analisi riducevano la contaminazione di 16O nel fascio di 12C da circa 10−11 a meno di 2 × 10−29. Nel 2009 il separatore è stato trasferito al laboratorio CIRCE di Caserta, dove è stato aggiunto un dipolo di selezione dello stato di carica subito dopo il bersaglio.
Il laboratorio in cui William Fowler e colleghi misurarono molte delle reazioni che alimentano le stelle. Qui furono svolti il lavoro di Salpeter sul processo tre alfa (1951) e le misure dello stato di Hoyle (1953, 1957).
Un istituto di ricerca nucleare con diversi acceleratori. Il suo gruppo di astrofisica è noto per le misure per attivazione, in cui la sezione d'urto si ricava contando, dopo l'irraggiamento, i decadimenti del prodotto radioattivo.
Un laboratorio nazionale dell'INFN con un acceleratore tandem e un ciclotrone superconduttore. Qui sono stati svolti molti esperimenti con il metodo del cavallo di Troia.
Un laboratorio universitario con ciclotrone, dove sono state fatte molte misure di coefficienti di normalizzazione asintotica (ANC) con reazioni di trasferimento, al servizio delle catture di interesse astrofisico.
fascio di protoni da 20 GeV/c del PS del CERN su un bersaglio di spallazione di piombo
Anni
in funzione dal 2001
Una sorgente di neutroni al CERN in cui i protoni di un acceleratore colpiscono un bersaglio di piombo ed estraggono neutroni di energie molto diverse. L'energia di ciascun neutrone si ricava dal suo tempo di volo su una base di volo molto lunga. Misura catture di neutroni per i processi s e r e reazioni indotte da neutroni su nuclei leggeri.
Per specialisti
Impulsi fino a 8,5 × 1012 protoni, lunghi 6 ns (rms), colpiscono il bersaglio di piombo. La base di volo orizzontale fino all'area sperimentale EAR1 è di 185 m; una seconda area, EAR2, si trova circa 20 m sopra il bersaglio, su una base di volo verticale. Durante il Long Shutdown 2 del CERN (2019–2021) è stato installato un bersaglio di terza generazione raffreddato ad azoto.
Un grande sistema laser costruito per la fusione a confinamento inerziale. I suoi laser comprimono piccole capsule di combustibile in un plasma caldo e denso, in cui si possono studiare reazioni di fusione tra nuclei leggeri in condizioni più vicine a quelle stellari rispetto a un fascio da acceleratore su bersaglio freddo.
Dynamitron, Stuttgart
Laboratorio
Institut für Strahlenphysik, Universität Stuttgart
Luogo
Stuttgart, Germania
Acceleratore
Dynamitron
Un laboratorio universitario con acceleratore dove, tra altre reazioni di cattura di elio, è stata misurata la 12C(α,γ)16O con rivelatori di raggi γ.
Kernforschungszentrum Karlsruhe (oggi Karlsruhe Institute of Technology)
Luogo
Karlsruhe, Germania
Acceleratore
Van de Graaff single-ended (3,7 MV)
Un acceleratore Van de Graaff del centro di ricerca nucleare di Karlsruhe, usato per misure della 12C(α,γ)16O e, per decenni, delle catture di neutroni del processo s. Lì i protoni su un bersaglio di litio producono neutroni con energie che imitano quelle di una stella, e molti dei tassi di cattura stellari usati oggi sono stati misurati con essi.
Per specialisti
Protons of 1912 keV, just above the 7Li(p,n)7Be threshold, give a forward-collimated neutron spectrum that closely resembles a Maxwell–Boltzmann distribution at kT = 25 keV; a sample in the cone is activated, and the 7Be activity of the target gives the integrated flux (Beer and Käppeler 1980; Ratynski and Käppeler 1988). With a pulsed beam the same machine served time-of-flight measurements with the Karlsruhe 4π BaF2 array, 42 crystals forming a spherical shell of 10 cm inner radius and 15 cm thickness (Wisshak et al. 2006).
L'acceleratore tandem del Triangle Universities Nuclear Laboratory, gestito dalla Duke University, dalla University of North Carolina e dalla North Carolina State University. LENA, il laboratorio di bassa energia, fa parte dello stesso istituto.
Jožef Stefan Institute
Laboratorio
Jožef Stefan Institute
Luogo
Lubiana, Slovenia
Un istituto di ricerca di Lubiana il cui laboratorio con acceleratore ha misurato catture protoniche su nuclei leggeri a bassa energia.
Research Center for Nuclear Physics, Osaka University
Luogo
Ibaraki, Osaka, Giappone
Un centro universitario di fisica nucleare con ciclotroni per lo studio della struttura e delle reazioni nucleari. Qui l'apparato di bassa energia OCEAN ha misurato la fusione 3He + 3He.
Laboratory for Laser Energetics, University of Rochester
Luogo
Rochester, New York, Stati Uniti
Un laser di alta potenza che comprime piccole capsule di combustibile per la ricerca sulla fusione a confinamento inerziale. La fusione di nuclei leggeri nelle sue implosioni è stata studiata come controparte in plasma delle misure con acceleratore.
L'infrastruttura del CERN per i nuclei radioattivi. I protoni colpiscono bersagli spessi, e i nuclei a vita breve prodotti vengono separati in massa e forniti come fasci di bassa energia o post-accelerati.
Heavy Ion Accelerator Facility, ANU
Laboratorio
Australian National University
Luogo
Canberra, Australia
Acceleratore
acceleratore elettrostatico tandem
Il laboratorio di acceleratori di ioni pesanti dell'Australian National University, usato per studi di struttura e di reazioni nucleari.
Center for Isotopic Research on Cultural and Environmental heritage (Università della Campania e INNOVA)
Luogo
Caserta, Italia
Un laboratorio con acceleratore a Caserta costruito per l'analisi isotopica. Dal 2009 ospita anche il separatore di rinculo ERNA per le misure di cattura di elio.
Institut de Physique Nucléaire d'Orsay (IPN Orsay)
Luogo
Orsay, Francia
Un acceleratore a Orsay che ospita STELLA, una stazione costruita per misurare la fusione di nuclei leggeri, come carbonio con carbonio, a energie molto basse, dove la reazione è rarissima.
Per specialisti
STELLA unisce una schiera di rivelatori al silicio per le particelle cariche ai rivelatori LaBr3 della schiera britannica FATIMA per i raggi γ, con una risoluzione temporale del nanosecondo che separa i protoni dalle particelle α, e un bersaglio rotante che sopporta correnti di fascio superiori a 10 µA. È progettata per sezioni d'urto fino a decine di picobarn.
Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière (CNRS/IN2P3 e Université Paris-Sud), dal 2020 parte di IJCLab
Luogo
Orsay, Francia
Un laboratorio vicino a Parigi con acceleratori di bassa energia e un impiantatore ionico. Qui sono state misurate catture protoniche su bersagli radioattivi di 7Be e sul 17O.
Centre d'Études Nucléaires de Bordeaux Gradignan (CNRS/IN2P3)
Luogo
Gradignan, Bordeaux, Francia
Acceleratore
Van de Graaff
Un laboratorio di fisica nucleare vicino a Bordeaux. Il suo acceleratore Van de Graaff è stato usato per una delle misure dirette della 7Be(p,γ)8B con un bersaglio radioattivo.
RIKEN (oggi RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science)
Luogo
Wako, Saitama, Giappone
Un istituto di ricerca nazionale giapponese i cui acceleratori producono fasci di nuclei a vita breve frammentando in volo nuclei più pesanti. Qui è stata fatta, con il separatore di frammenti RIPS, la prima misura della dissociazione coulombiana dell'8B.
Un laboratorio di acceleratori di ioni pesanti. Il suo separatore di frammenti fornisce fasci veloci di nuclei a vita breve, usati per misurare la dissociazione coulombiana dell'8B e la rottura del 6Li.
Centro comune di ricerca (JRC), Commissione europea
Luogo
Geel, Belgio
Acceleratore
acceleratore lineare di elettroni pulsato; stazioni di misura tra 10 e 400 m dalla sorgente di neutroni
Un impianto a tempo di volo per neutroni della Commissione europea. Brevi impulsi di elettroni producono impulsi di neutroni di ogni energia, da quella termica fino a circa 20 MeV, e il tempo che ciascun neutrone impiega a raggiungere il campione ne dà l'energia. Misura sezioni d'urto neutroniche per i dati nucleari e per l'astrofisica, tra cui 197Au(n,γ).
Per specialisti
Gli impulsi di elettroni sono compressi a circa 1 ns; fino a dieci esperimenti lavorano insieme su basi di volo tra 10 e 400 m, con energie dei neutroni da 10 meV a 20 MeV.
Los Alamos Neutron Science Center, Los Alamos National Laboratory
Luogo
Los Alamos, New Mexico, Stati Uniti
Acceleratore
protoni da 800 MeV su un bersaglio di spallazione di tungsteno (Lujan Center); DANCE su una base di volo di 20 m
Il Detector for Advanced Neutron Capture Experiments: una sfera di cristalli di fluoruro di bario che circonda un campione minuscolo e raccoglie quasi tutti i raggi γ emessi quando il campione cattura un neutrone. Poiché il campione può pesare appena un milligrammo, può essere radioattivo, come serve per i punti di diramazione del processo s.
Per specialisti
Fino a 160 cristalli di BaF2 formano un guscio 4π con raggio interno di circa 17 cm e spessore di 15 cm; si possono misurare campioni fino a circa 1 mg, o con attività fino a circa 1 Ci. L'energia dei neutroni si ricava dal tempo di volo.
Van de Graaff per attivazioni con 7Li(p,n); un linac protonico RFQ–IH ad alta corrente (circa 2 MeV) in costruzione
La sorgente di neutroni di Francoforte, progettata per essere la più intensa sorgente di neutroni alle energie che si trovano nelle stelle, circa mille volte più intensa della sorgente di Karlsruhe in quell'intervallo di energia. Come a Karlsruhe, i neutroni nascono da protoni sul litio.
linac superconduttore per protoni (SARAF) su un bersaglio di litio liquido (LiLiT), 1,9 MeV, 1–2 mA
Un acceleratore di protoni il cui fascio di qualche milliampere colpisce un velo di litio liquido in movimento, producendo neutroni con uno spettro vicino a quello di una stella a 30 keV, con un'intensità oltre dieci volte superiore a quella dei bersagli di litio precedenti. I campioni vengono attivati e se ne conta la radioattività.
Per specialisti
The thick-target 7Li(p,n)7Be spectrum at 1.92 MeV is quasi-Maxwellian with kT ≈ 30 keV; 3–5 × 1010 n/s were reached in the first experiments, which measured the 30 keV MACS of 94Zr and 96Zr (Tessler et al. 2015).