Principali reazioni termo-nucleari nelle stelle

La presente tesi di laurea tratta, come suggerisce il titolo, dei più importanti fenomeni termo-nucleari che caratterizzano i corpi celesti noti come ''stelle''. Dopo un breve excursus su cosa esse siano, con particolare riferimento ai maggiori costituenti, alle forze in gioco e a come si formano, verranno enunciate ed analizzate le reazioni interne dominanti, nello specifico la celebre protone-protone, coi suoi canali ''pp-I'', ''pp-II'' e ''pp-III'', ed il ciclo ''CNO'', primario e secondario, per quanto riguarda la sequenza principale; in seguito, saranno esposti i processi di maggior rilevanza che accompagnano gli stadi evolutivi più avanzati, come il ''3-alfa'', le ''catture alfa'' e nucleosintesi successive, focalizzando l'attenzione su quel che riguarda le ''catture neutroniche''. Chiudono l'elaborato alcuni cenni conclusivi, ancora sulle stelle e sui loro prodotti.

Decadimento del 12C eccitato in reazioni 12C+12C: stato di Hoyle

Il presente lavoro è stato svolto nell'ambito della collaborazione NUCLEX, esperimento della Commissione Nazionale 3 dell'INFN per lo studio della dinamica delle reazioni nucleari indotte da ioni pesanti. In particolare l'oggetto della tesi riguarda l'analisi del decadimento di un nucleo di Carbonio-12 eccitato in seguito ad una reazione nucleare. Più precisamente in questa tesi si studia il decadimento di un nucleo di Carbonio-12 che, interagendo con un altro nucleo di Carbonio-12, si eccita lasciando il bersaglio di Carbonio nello stato fondamentale. La reazione studiata è 12C + 12C a 95 MeV. L'analisi è stata effettuata selezionando, fra tutti gli eventi, quelli che hanno 3 particelle α nello stato finale. Ciò permette di mettere in evidenza alcuni stati eccitati del Carbonio-12, fra cui il cosiddetto stato di Hoyle, importante soprattutto per gli aspetti astrofisici. In particolare il modo di decadimento è legato alla probabilità di formazione, che è un punto importante nella formazione degli elementi nelle stelle. E' importante infatti poter determinare se il processo di decadimento è istantaneo, cioè il Carbonio emette tre particelle α contemporaneamente, oppure sequenziale, cioè il Carbonio emette in primo luogo una particella α ed un nucleo di Berillio-8, il quale a sua volta decade in due particelle α. Nel Capitolo 1 si introdurrà l'aspetto teorico e fenomenologico del problema, verranno descritte in breve le reazioni nucleari tra ioni pesanti con un approfondimento sui processi di decadimento del Carbonio eccitato. Nel Capitolo 2 saranno descritti gli apparati utilizzati per le misure: in particolare l'apparato GARFIELD utilizzato per la rivelazione delle particelle cariche emesse nel decadimento, ed il rivelatore Ring Counter (RCo) utilizzato soprattutto per la rivelazione delle particelle α di decadimento del proiettile eccitato. Si accenna anche alle tecniche usate per identificare le particelle α. Nel Capitolo 3 verrà descritta l'analisi dei dati effettuata ed in particolare verranno mostrati gli osservabili per poter discriminare il meccanismo di decadimento sequenziale o democratico. Verranno infine tracciate alcune conclusioni in base ai risultati raggiunti.

Emissione di pre-equilibrio nelle reazioni 16o + 65cu e 19f + 62ni

Il presente lavoro e’ stato svolto nell'ambito della collaborazione NUCLEX, esperimento della Commissione Nazionale 3 dell'INFN per lo studio della dinamica delle reazioni nucleari indotte da ioni pesanti. In particolare l'oggetto della tesi riguarda l'analisi della competizione fra i diversi processi di emissione di particelle cariche leggere da sistemi composti. Piu’ precisamente in questa tesi si studiano e si confrontano le emissioni da sorgenti equilibrate e di pre-equilibrio di particelle alfa e protoni per due diverse reazioni di fusione, 16O +65Cu a 256 MeV e 19F +62Ni a 304 MeV, che portano entrambe alla formazione del nucleo composto 81Rb. I due sistemi sono stati scelti in modo da avere una reazione indotta da un proiettile costituito da un numero intero di particelle alfa (alfa-cluster) (16O) ed una seconda indotta da un proiettile non alfa cluster (19F), con la medesima energia del fascio (16 MeV/n). Lo scopo e’ di cercare evidenze sulla struttura a cluster di alfa dei nuclei con numero di massa A multiplo di 4 ed N=Z. Allo scopo di evidenziare i contributi delle diverse sorgenti di emissione delle particelle si e’ appli- cata la tecnica del Moving Source Fit agli spettri delle particlelle emesse e rivelate con l'apparato GARFIELD in coincidenza con i residui di evaporazione misurati tramite il rivelatore anulare Ring Counter. I risultati sperimentali ottenuti applicando la tecnica del Moving Source Fit ai nostri dati sperimentali sono interessanti e sembrano contraddire la maggiore emissione di particelle alfa da parte del sistema con proiettile a struttura alfa-cluster 16O. Le possibili ipotesi alla base di questo risultato abbastanza sorprendente sono tuttora in fase di discussione e saranno oggetto di ulteriori verifiche tramite lo studio di correlazioni piu’ esclusive e confronto con modelli di pre-equilibrio complessi.

Studio di produzione associata dei bosoni Higgs e Z in interazioni protone-protone a LHC

Uno dei cardini nel programma di ricerca attuale del Large Hadron Collider (LHC) al CERN è l’approfondimento della conoscenza relativa al bosone di Higgs e agli accoppiamenti di questa particella, di recente scoperta, con le altre del Modello Standard. Il prossimo Run di LHC sarà caratterizzato da collisioni di fasci di protoni con un'energia di 6.5 TeV ciascuno e renderà possibile l’acquisizione di grandi campioni di dati nei quali si prevede un aumento della statistica per tipologie di eventi che fino a questo momento è stato problematico studiare. Tra questi la produzione per Higgs-strahlung del bosone di Higgs associato al bosone vettore Z, che, essendo caratterizzata da una bassa sezione d’urto, è sempre stata considerata un processo molto difficile da investigare. Questa tesi fornisce uno studio preliminare della fattibilità di recuperare in modo efficiente questo canale, con l’obiettivo di individuare alcuni tagli che permettano di ripulire il grande fondo adronico prodotto nelle collisioni protone-protone a LHC. La presente analisi è stata effettuata su campioni di dati ottenuti tramite una generazione Monte Carlo e una simulazione parametrica del rivelatore ATLAS. Sebbene la statistica dei campioni MC sia ancora limitata e la simulazione della risposta del detector non sia dettagliata, le tecniche e i tagli utilizzati in questo lavoro di tesi potranno dare utili indicazioni per futuri studi più dettagliati e per l'investigazione di questo processo una volta che i dati del prossimo Run di LHC a √s=13 TeV saranno disponibili.

Il problema cosmologico del 7Li - considerazioni nucleari ed esperimento n_TOF

La nucleosintesi primordiale descrive le reazioni che hanno formato i primi elementi leggeri (H, 2H, 3He, 4He, 7Li) e ci da una previsione sull'andamento delle loro abbondanze primordiali in funzione del rapporto barioni-fotoni η, unico parametro libero della teoria BBN. Questo parametro è stato fissato dal momento in cui la sonda WMAP è stata lanciata in orbita; essa ha svolto misure importantissime sulla radiazione cosmica di fondo, fornendoci un valore accurato della densità barionica e quindi di η. Con questo nuovo dato sono state calcolate le abbondanze degli elementi leggeri ai tempi della nucleosintesi primordiale, tuttavia quella teorizzata per il 7Li non corrispondeva affatto a quella osservata nelle stelle dell'alone galattico, ma risultava essere dalle 2 alle 4 volte maggiore. Questa discrepanza costituisce il problema cosmologico del litio. Il problema può essere affrontato in diversi campi della fisica; il nostro scopo è quello di studiarlo dal punto di vista della fisica nucleare, analizzando le reazioni nucleari legate al 7Li. Il contributo principale alla produzione di 7Li proviene dal decadimento spontaneo del 7Be, quindi bisogna valutare il rate di reazione dei processi che producono o distruggono quest'ultimo nucleo; tale rate dipende dalla sezione d'urto della reazione. Un contributo fondamentale potrebbe essere dato dalle eventuali risonanze non ancora scoperte, cioè gli stati eccitati dei prodotti di reazione che si trovano ad energie non ancora studiate, in corrispondenza delle quali la sezione d'urto subisce un drastico aumento. Le due reazioni principali da considerare sono 7Be(n,p)7Li e 7Be(n,αlfa)4He; la prima perché contribuisce al 97% della distruzione del berillio, quindi una rivalutazione della sua sezione d'urto porterebbe ad un grande cambiamento nel valore dell'abbondanza di 7Be (e quindi di 7Li), la seconda poiché, anche se contribuisce solo al 2.5% della distruzione del berillio, possiede una incertezza enorme.

Reazioni di vari reagenti elettrofili con derivati amminotiazolici ad elevato potere nucleofilo

The nucleophile/electrophile combination in the aromatic substitution reaction using aminothiazole derivatives as nucleophiles has been the subject of this study. The reaction between 2,4-dipyrrolidinylthiazole and the neutral carbon electrophile 1,3,5-trinitrobenzene gave a stable Wheland-Meisenheimer (WM) complex. This represents another example, among those already found by the research group in which this work has been carried out, of stable zwitterionic σ-intermediates. When the reaction was carried out with halonitrobenzene derivatives, it produced the substitution product in position 5 of the thiazole ring. 2,4-dipyrrolidinylthiazole and arenediazonium salts gave the coupling product at the C5 of the thiazole ring together with many byproducts and the stable Wheland intermediate formed by attack of the proton on the C5 of the starting thiazole reagent. Arenediazonium salts were coupled also with 2-pyrrolidinylthiazole. In this case quantitative formation of the substitution product deriving from the attack of the electrophile on the carbon nucleophilic position of the thiazole ring was obtained. In conclusion, the results had allowed to expand the knowledge on electrophilic/nucleophilic interactions in the aromatic substitution involving thiazole heteroaromatics and provided a further example of stable Wheland-Meisenheimer intermediates.

Addizione coniugata di Michael atroposelettiva di composti 1,3-dicarbonilici su derivati maleimmidici

L'obiettivo di questa tesi sperimentale è quello di effettuare una reazione di addizione coniugata di Michael di sistemi 1,3-dicarbonilici atroposelettiva su substrati maleimmidici oppurtanamente sostituiti, catalizzata da derivati di alcaloidi naturali della Cinchona. Tale processo risulta importante ed innovativo in quanto si vuole ottenere una reazione di desimmetrizzazione atroposelettiva, contemporaneamente dell'asse prochirale e dei due atomi di carbonio del doppio legame della maleimmide stessa. Partendo dalla reazione di addizione del 2-acetilciclopetanone sulla (N-(2-tert- Butil)fenil)maleimmide, mediante reazioni di screening sono state determinate le condizioni ottimali. Si è poi proceduto a verificare l'estendibilità della reazione verso differenti substrati. Infine si è verificata la stabilità dell'asse di rotazione bloccato neosintetizzato. La sintesi di tali composti è importante per la possibilità di poter successivamente derivatizzare i gruppi sostituenti, in modo da creare building blocks per lo sviluppo di molecole ben più complesse.

Analisi dello spettro di massa invariante j/psi pi+ pi- in collisioni p-p a sqrt(s) = 8 tev con il rivelatore cms

In questo lavoro di tesi è stato studiato lo spettro di massa invariante del sistema J/psi pi+ pi-, m(J/psi pi+ pi-), in collisioni protone-protone a LHC, con energia nel centro di massa sqrt(s)) pari a 8 TeV, alla ricerca di nuovi stati adronici. Lo studio è stato effettuato su un campione di dati raccolti da CMS in tutto il 2012, corrispondente ad una luminosità integrata di 18.6 fb-1. Lo spettro di massa invariante m(J/psi pi+ pi-), è stato ricostruito selezionando gli eventi J/psi->mu+ mu- associati a due tracce cariche di segno opposto, assunte essere pioni, provenienti da uno stesso vertice di interazione. Nonostante l'alta statistica a disposizione e l'ampia regione di massa invariante tra 3.6 e 6.0 GeV/c^2 osservata, sono state individuate solo risonanze già note: la risonanza psi(2S) del charmonio, lo stato X(3872) ed una struttura più complessa nella regione attorno a 5 GeV/c^2, che è caratteristica della massa dei mesoni contenenti il quark beauty (mesoni B). Al fine di identificare la natura di tale struttura, è stato necessario ottenere un campione di eventi arricchito in adroni B. È stata effettuata una selezione basata sull'elevata lunghezza di decadimento, che riflette la caratteristica degli adroni B di avere una vita media relativamente lunga (ordine dei picosecondi) rispetto ad altri adroni. Dal campione così ripulito, è stato possibile distinguere tre sottostrutture nello spettro di massa invariante in esame: una a 5.36 GeV/c^2, identificata come i decadimenti B^0_s-> J/psi pi+ pi-, un'altra a 5.28 GeV/c^2 come i candidati B^0-> J/psi pi+ pi- e un'ultima allargata tra 5.1 e 5.2 GeV/c^2 data da effetti di riflessione degli scambi tra pioni e kaoni. Quest'ultima struttura è stata identificata come totalmente costituita di una combinazione di eventi B^0-> J/psi K+ pi- e B^0_s-> J/psi K+ K-.

Meccanismi di produzione dell'energia in astrofisica

Lo scopo di questo elaborato è descrivere alcuni dei meccanismi di produzione dell’energia studiati nel campo astrofisico. Essendo questi piuttosto numerosi, sono stati trascurati i processi ritenuti di sola conversione di energia da una forma ad un’altra, come, per esempio,l’emissione da parte di una particella accelerata. In questo modo si è potuto dedicare più spazio ad altri fenomeni, molto comuni ed efficienti, che saranno qui anticipatamente elencati. Nel Capitolo 1 vengono descritti i processi di fusione nucleare che alimentano le stelle; per ognuno sono state riportate la quantità di energia prodotta e i tempi scala. Si è scelto inoltre di dare maggiore importanza a quei fenomeni che caratterizzano le fasi principali dell’evoluzione stellare, essendo questi anche i più efficienti, mentre le reazioni secondarie sono state solamente accennate. Nella Sezione 1.4 vengono descritti i meccanismi alla base dell’esplosione di supernova, essendo un’importante fase evolutiva nella quale la quantità di energia in gioco è considerevole. Come conclusione dell’argomento vengono riportare le equazioni che descrivono la produzione energetica nei processi di fusione descritti precedentemente. Nella seconda parte dell’elaborato, viene descritto il fenomeno dell’accrescimento gravitazionale utilizzando come oggetto compatto di riferimento un buco nero. Si è scelto di porre l’accento sull’efficienza della produzione energetica e sul limite di luminosità di Eddington.

Sviluppo di un sistema di rivelazione per l'esperimento FAMU (fisica degli atomi muonici) basato su scintillatore LaBr3 con fotomoltiplicatore UQE e sistema spettrometrico DSP

In questa tesi si sono studiati e sviluppati i rivelatori di fotoni x per l’esperimento FAMU (Fisica degli Atomi Muonici gruppo 3 dell’INFN) che indaga sulla natura e la struttura del protone. I rivelatori sono stati assemblati e testati con elementi che rappresentano lo stato dell’arte nel campo dei rivelatori di radiazione (scintillatori LaBr3(Ce) e fotomoltiplicatori Hamamatsu™ Ultra Bi-Alcali). È stata anche studiata e sviluppata parte della catena di formatura del segnale. Questa è stata implementata su un chip FPGA dell’ALTERA™ con buoni risultati per quanto riguarda la qualità del filtro; le performance dell’FPGA non hanno consentito di raggiungere la velocità di 500MHz richiesta dall’esperimento costringendo l’implementazione ad una velocità massima di 320MHz.

Addizioni organocatalitiche asimmetriche di 1,3-dicarbonili a orto-chinoni metidi. Un nuovo metodo per la sintesi di 3,4-diidrocumarine e 4h-cromeni otticamente attivi

Questa tesi descrive lo sviluppo di una nuova metodologia che prevede l’utilizzo degli orto-chinoni metidi (o-QMs) in reazioni organocatalitiche asimmetriche. A causa della loro elevata instabilità e reattività, gli o-QMs sono stati impiegati in trasformazioni di sintesi asimmetrica solo di recente. Il metodo sviluppato prevede l’utilizzo di catalizzatori bifunzionali in grado di promuovere la generazione in situ degli intermedi reattivi a partire dai rispettivi 2-solfonilalchil fenoli, tramite eliminazione di acido solfinico. L’utilizzo di condizioni blandamente basiche sia per generare gli o-QMs che per l’attivazione dei partner nucleofili, risulta innovativo e permette non solo di ovviare all’intrinseca instabilità di questi intermedi, ma anche di impiegarli efficacemente in reazioni organocatalitiche con una varietà di nucleofili, come, ad esempio, l’acido di Meldrum, il malononitrile e vari composti 1,3 dicarbonilici. Le reazioni catalitiche portano alla formazione di 3,4-diidrocumarine, 4H-cromeni e xantenoni enantioarricchiti. Alcuni di questi composti sono dei precursori sintetici di composti naturali o sintetici biologicamente attivi e per avvalorare questa metodologia sono state proposte le sintesi formali di tre composti di interesse biologico: la (R)-tolterodina (il principio attivo del farmaco antimuscarinico Detrol®), (S)-4-metossidalbergione (allergene della Dalbergia Nigra) and SB-209670 / SB-217242 (due potenti antagonisti dell’endotelina).

Ottimizzazione della selezione del decadimento D0->K+K- e D0->pi+pi- ad LHCb mediante un'analisi multivariata

L'esperimento LHCb è stato progettato per eseguire misure di altissima precisione nel settore della fisica dei quark pesanti al Large Hadron Collidere del CERN. Sfruttando l'alta sezione d'urto di produzione di charm nelle interazioni protone-protone ad LHC e utilizzando la statistica raccolta durante il RUN-1, corrispondente ad una luminosità integrata di 3 fb{-1}, l'esperimento LHCb ha realizzato le misure più precise al mondo in questo settore. In particolare i decadimenti del mesone D0 in due corpi carichi senza leptoni nello stato finale hanno permesso di realizzare misure di violazione di CP} che raggiungono precisioni inferiori al 0.1 %. Da pochi mesi LHCb ha iniziato la seconda fase di presa dati, chiamata RUN-2, raccogliendo dati dalle interazioni protone-protone ad una energia nel centro di massa di sqrt{s}=13 TeV, superiore a quella del RUN-1. Le misure attuali di violazione di CP nel settore del charm, sono consistenti con l'ipotesi di non violazione. Il Modello Standard, pur con grandi incertezze teoriche, prevede una violazione di CP molto piccola, pertanto per verificare o meno l'esistenza di taleviolazione, sarà necessario sfruttare al massimo la statistica che verrà raccolta durante il RUN-2, ottimizzando gli algoritmi di selezione dei canali di interesse. In questa tesi verrà presentata uno studio preliminare che ha lo scopo di ottimizzare, mediante una tecnica di analisi multivariata, la selezione dei decadimenti D^*pm-> D0(K+K-)pi_s^pm e D^*pm}-> D0(pi+pi-)pi_s^pm} in previsione della prossima presa dati.

Misura di reazioni di fusione-evaporazione 16O + 12C. Risultati preliminari.

Questo lavoro di tesi è stato svolto nell'ambito del gruppo Nucl-ex di Bologna dell'INFN. L'esperimento specifico si inquadra nello studio di collisioni di nuclei con numero di neutroni N uguale al numero di protoni Z (nuclei pari-pari). In particolare si vuol analizzare una reazione centrale, cioè a piccoli parametri d'impatto, nella quale i nuclei del proiettile e del bersaglio fondono assieme formando un sistema unico eccitato (nucleo composto) che successivamente decade. Nel caso della misura descritta sono stati utilizzati un fascio di 16O ed un bersaglio di 12C ed il sistema fuso che si forma è 28Si. Per rivelare le particelle provenienti dal decadimento è stato impiegato l'apparato G.AR.F.I.E.L.D. (General Array for Fragment Identification and Emitted Light particles in Dissipative collisions) accoppiato al rivelatore denominato Ring Counter (RCo). La misura è stata realizzata presso i Laboratori Nazionali dell'INFN di Legnaro (Pd) in collaborazione tra le Università e le sezioni INFN di Bologna, Firenze, Napoli e Padova. Il fascio è stato accelerato mediante l'acceleratore elettrostatico Tandem XTU, mentre il bersaglio era fisso nel sistema di riferimento del laboratorio. La misura di collisione è stata realizzata per tre diverse energie cinetiche del fascio: 90.5 MeV, 110 MeV e 130 MeV. Il lavoro è consistito principalmente nella partecipazione a diverse fasi della misura, tra cui preparazione, presa dati ed alcune calibrazioni energetiche dei rivelatori, fino ad ottenere risultati preliminari sulle distribuzioni di frequenza dei frammenti rivelati, sulle molteplicità e sulle distribuzioni angolari di particelle leggere. L'analisi preliminare effettuata ha mostrato che il valore medio di carica del residuo di evaporazione {Definito come il frammento che rimane nello stato fondamentale alla fine della catena di decadimento.} diminuisce all'aumentare dell'energia a disposizione. In modo consistente aumenta, all'aumentare dell'energia, la molteplicità media delle delle particelle leggere. Le distribuzioni angolari di particelle leggere mostrano andamenti molto simili fra le diverse energie, ma poco compatibili con il fatto che, all'aumentare dell'energia del fascio, diminuisce il cono di emissione di particelle di decadimento, in quanto aumenta la velocità del sistema fuso.

Misura del flusso neutronico per reazioni indotte da neutroni su 155Gd e 157Gd nell'esperimento nTOF al CERN

Questa tesi è incentrata sullo studio e la determinazione del flusso neutronico della facility nTOF (neutron Time Of Flight) del CERN di Ginevra nel corso della campagna sperimentale del 2016. L'esperimento è finalizzato alla misura della sezione d'urto della reazione di cattura neutronica da parte degli isotopi dispari di gadolinio, 155Gd e 157Gd. In particolare l'analisi verrà condotta in modo da ottenere dati sperimentali nello spettro di energie da neutroni termici (10-2 eV) a 1.0 eV e migliorare i dati già esistenti per energie fino a 1.0 MeV. Dopo aver ricordato le motivazioni scientifiche e tecnologiche che sono alla base del progetto di ricerca, si descrivono le caratteristiche della facility nTOF e si trattano i fondamenti delle reazioni nucleari e le tecniche del tempo di volo, di misura di flusso e di cattura utilizzate nel corso dell'esperimento. Nella parte finale del lavoro si presentano i dati sperimentali acquisiti sul flusso neutronico, la cui accurata conoscenza è fondamentale per la misura di sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni. I risultati ottenuti sono quindi stati elaborati e confrontati con i dati precedenti per poter essere validati e per poter verificare eventuali discrepanze. Dalle analisi dei dati si deduce come la precisione ottenuta sulla determinazione del flusso sia ottimale per i successivi studi che verranno condotti sulla sezione d'urto degli isotopi dispari di gadolinio.