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Electron screening nel laboratorio

Electron screening nel laboratorio. Francesco Raiola Ruhr Universität Bochum. V Riunione Nazionale di Astrofisica Nucleare Sala Polifunzionale di Teramo. reazioni nucleari nelle stelle effetto di electron screening approccio sperimentale nuovi risultati sperimentali.

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Electron screening nel laboratorio

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  1. Electron screening nel laboratorio Francesco Raiola Ruhr Universität Bochum V Riunione Nazionale di Astrofisica Nucleare Sala Polifunzionale di Teramo • reazioni nucleari nelle stelle • effetto di electron screening • approccio sperimentale • nuovi risultati sperimentali 20-22 Aprile 2005

  2. Reazioni termonucleari nelle stelle

  3. V Coulomb barrier Ekin ~ kT (keV) Ecoul ~ Z1Z2 (MeV) effetto tunnel r0 r nuclear well GAMOW factor reazioni procedono per EFFETTOTUNNEL probabilitá tunneling P  exp(-2) durante quiescent burnings: kT << Ec (E) = exp(-2) S(E) Definizione del FATTORE ASTROFISICO S(E) (reazioni non risonanti!) Reazioni termonucleari nelle stelle: particelle cariche particelle cariche barriera coulombiana energia disponibile: da moto termico kT ~ 8.6 x 10-8 T[K] keV T ~ 15x106 K (ex. nel Sole)  kT ~ 1 keV T ~ 1010 K (Big Bang)  kT ~ 2 MeV (solo per s-waves!) origine non-nucleare FORTE dipendenza dall’energia origine nucleare DEBOLE dipendenza dall’energia

  4. (E) risonanza LOG SCALE non-risonanza molti ordini di grandezza misure dirette  E0 Ecoul Coulomb barrier necessaria estrapolazione ! Approccio sperimentale: estrapolazione Procedura sperimentale: misura di (E) in un intervallo di energia abbastanza grande, quindi ESTRAPOLAZIONE dei dati fino al picco di Gamow E0! CROSS SECTION

  5. coda a basse energie di una larga risonanza Er Approccio sperimentale: estrapolazione S(E)-FACTOR S(E) estrapolazione misure dirette LINEAR SCALE processi non risonanti risonanza sotto-soglia -Er 0 interaction energy E INCERTEZZA NELL’ESTRAPOLAZIONE !

  6. Approccio sperimentale: estrapolazione SOLUZIONI ALTERNATIVE • Go UNDERGROUND  riduzione del fondo (cosmic back.) es.: LUNAfacility • Uso di metodi INDIRETTI(THM, Coulomb dissociation) LIMITAZIONE INTRINSICA A basse energie (poche decine di keV) ELECTRON SCREENING EFFECT

  7. Effetto di electron screening

  8. (E) = S(E) exp(-2) Approccio sperimentale: electron screening penetrazione della barriera coulombiana per nuclei NUDI • nel plasma stellare:ioni in un mare di elettroni Ec nudo Coulomb potential Raggio di Debye-Hückel RD ~ (kT/)½ E + Ue schermato E RD 0 Rn Rt Ue = potenziale di electron screening Similarmente: • nei laboratori terrestri: interazioni tra ioni (proiettili) e atomi o molecole (bersaglio)

  9. (E) screened bare E Però: electron screening nel lab. DIVERSO dall’electron screening nel plasma conoscenza necessaria flab(E) miglioramento del calcolo di fplasma(E) S (E+Ue) E exp(-2(E+Ue)) = E+Ue Sb(E) exp(-2(E)) plasma(E) PROBLEMA:Uesperimentale >> Ue teorico fplasma(E) = bare(E) Approccio sperimentale fattore di accrescimento della cross-section: tipicamente: Ue << E f(E)  exp(Ue/E)  1

  10. MODELLI DINAMICI limiteimpulsivo limite adiabatico due casi limite vp >> ve vp << ve proiettile elettrone(i) orbitale proiettile elettrone(i) orbitale minimaenergia trasferita dal moto elettronico a quello nucleare massima energia trasferita dal moto elettronico a quello nucleare Ad energie di interesse astrofisico: LIMITE ADIABATICO: approccio valido limite teorico superiore Approccio teorico MODELLO STATICO Ue = Z1Z2e2/Ra potenziale elettrostatico dovuto alla nuvola elettronica Ra = raggio atomico

  11. S(E) screened S(E) fit dei dati sperimentali a bassa energia  Ue Estrapolazione dei dati ad alta energia bare S(E) 0 E Risultati sperimentali Ue sempre maggiore del limite adiabatico ! Approccio sperimentale

  12. exp Ue = 2197 eV theo theo Ue = 120 eV Un esempio 3He(d,p)4He Aliotta M. et al.: Nucl. Phys. A690 (2001) 790 • modelli corretti per Ue? • reliable extrapolation for S(E)bare? • corretti valori di stopping powers? PERCHÈ?

  13. 3He(d,p)4He D(3He,p)4He (Ue=119 eV) (Ue=65 eV) [3] Langanke et al. (1996): 1308 eV [1] Sommario dei risultati attuali note Sbare(E): fit to Krauss data (1987) Ecm 7-140 keV [1] Engstler et al. (1988): 12010 eV 664 eV [2] Prati et al. (1994): 1869 eV [1] 1239 eV [1]+[2] Sbare(E): parametrization - Chulick (1993) Ecm 24 keV - 10 MeV Sbare(E): parametrization - Chulick (1993) stopping powers: Golser & Semrad (1991) [4] Geist et al. (1999): 17729 eV [1] Sbare(E): R-matrix - Geist (1999) 17028 eV [1] Sbare(E): parametrization - Chulick (1993) + data normalization LUNA collaboration [5] Costantini et al. (2000): 1329 eV Sbare(E): parametrization - Geist (1999) measured stopping powers = Ziegler [6] Aliotta, Raiola et al.(2001): 2199 eV 1099 eV [5]+[6] Sbare(E): parametrization - Geist (1999) measured stopping powers  Ziegler

  14. Approccio teorico - sperimentale Quale estrapolazione per Sbare?

  15. Stopping powers

  16. (E) = S(E) exp(-2) L’importanza dello stopping power regione astrofisica (E) 3He(d,p)4He (log. scale) misure a basse energie é necessaria una precisa conoscenza dell’energia d’interazione e.g. at E ~ 10 keV E/E  0.2%  /  6%  0 Energy E (lin. scale) principale sorgente perdita di energia di incertezza del fascio nel bersaglio

  17. interazione ioni – electroni (ionizzazione & eccitazione) principale contributo alla perdita di energia: valori estrapolati SRIM 2000 valori misurati SRIM 2000 threshold effect a Ed18.2 keV (md+me)2 max. energia trasferita (1s2s ): Ed = Ee 4 md me dati sperimentali Golser & Semrad (1991) stopping power di gas He su D + bassi stopping powers + alte cross-sections + bassi S(E)-factors + bassi valori di Ue !

  18. Nuovi Risultati Sperimentali

  19. Ni foil LN2-cooled Si Cu pipe -200 V D+ ion beam MxD target x/y wobbling units Si turbo pump aperture 8 mm f  = 130° P = 2x10-8 mbar Puó uno environment metallico simulare il plasma stellare? Czerski K. et al.: Europhys. Lett. 54 (2001) 449 Studio dell’electron screening per D(d,p)tin bersaglideuterati (Ti,Al,Zr) Ue (D-metallo ) ~ 10-30 volte + Ue (D-gas) studio sistematico (58 campioni) del potenziale di screening nella D(d,p)tinmetalli deuterati Setup sperimentale • Kr sputtering • impiantazione diD • misura del S-factor Procedura sperimentale

  20. Esempio: Idea: quasi-free electrons in a metal could simulate free electrons in stellar plasma (classical picture).

  21. Misure in progress… • dipendenza di Ue dalla temperatura (Pt, Hf, Ti, Ta) • legame tra la solubilitá del deuterio e il potenziale di elect. screening • Li0.2 Pd target Ue = 3200 ± 600 [eV] • Li>0.2Pd (in programma) • Li2WO4 target Ue < 500 [eV] • Li pure metal Ue = 300 [eV] (da ripetere) • LiO2 circa 90% di 6Li • LiF (in programma) • vita media del 7Be impiantato in metalli (W, dati di Debrecen)

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