Fissione Nucleare

Scoprire come funziona la natura non è fine a se stesso. A volte ci vogliono anni, decenni o ancora di più per comprendere che una scoperta, che può risultare agli occhi dei più inutile, è in grado di cambiar la vita di molti. Può sembrare di aver buttato via soldi, tempo e intelletto. Ma la ricerca e lo studio pagano sempre. La qualità della vita è migliorata e migliorerà notevolmente grazie a chi si è impegnato e si impegna nella ricerca. Basti pensare alla corrente elettrica e al riscaldamento nelle nostre case; ai mezzi che ci permettono di spostarci sempre più velocemente in posti sempre più lontani; a modi di comunicare anch’essi più veloci e più fruibili. Anche la medicina ha fatto passi da gigante, spesso grazie alle applicazioni della fisica, soprattutto nel settore della fisica nucleare. Oggi sentiamo parlare di PET, di risonanza magnetica; tutti nella nostra vita abbiamo fatto una radiografa, ma pochi conoscono i principi che ci sono dietro queste tecniche mediche. In questa tesi sarà discusso in modo più accurato l’utilizzo della fissione nucleare e la sua storia.

Studio del flusso di neutroni e della funzione di risoluzione nell'esperimento n_TOF al CERN

La tesi è incentrata sullo studio del flusso di neutroni e della funzione di risoluzione del progetto n_TOF al CERN di Ginevra. Dopo aver ricordato le motivazioni scientifiche e tecnologiche che stanno alla base di questo progetto di collaborazione internazionale, si trattano sommariamente alcune delle più importanti applicazioni della fisica neutronica e si descrive la facility di Ginevra. Nella parte finale del lavoro si presenta una misura di precisione ottenuta dal flusso di neutroni utilizzato nell'esperimento n_TOF nel 2012, la cui conoscenza è di fondamentale importanza per la misura di sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni. L'esperimento n_TOF ha proprio lo scopo di misurare sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni, in particolare reazioni di fissione e cattura neutronica. Ad n_TOF si utilizza un fascio di protoni, accelerato a 20 GeV dal ProtoSincrotrone del CERN, per crearne due di neutroni, uno verticale e uno orizzontale, tramite spallazione nucleare indotta su un bersaglio di Piombo. Dalle analisi dei dati si deduce come questo studio possa essere maggiormente ottimizzato migliorando la funzione di risoluzione energetica dei neutroni, attraverso simulazioni Monte Carlo.

Caratterizzazione di scintillatori organici per la rivelazione di neutroni termici

La rivelazione dei neutroni gioca un ruolo fondamentale sia nel campo della fisica nucleare di base che in diversi ambiti applicativi quali la produzione di energia in reattori a fissione, la sicurezza nazionale alle frontiere, la terapia e la diagnostica mediche. Negli anni passati la rivelazione di neutroni di bassa energia (nell'intervallo termico) si è basata principalmente sull'utilizzo di contatori proporzionali a $^3$He. Il grosso vantaggio di questi strumenti è la loro quasi totale inefficienza nella rivelazione di radiazione elettromagnetica, consentendo una caratterizzazione pulita dei flussi neutronici di bassa energia, anche quando, come spesso succede, sono accompagnati da un intenso fondo di raggi X e raggi gamma. La scarsa disponibilità di $^3$He ed il conseguente incremento del suo costo hanno stimolato, negli ultimi anni, numerosi programmi di sviluppo di nuovi rivelatori per neutroni termici in grado di rimpiazzare i troppo costosi contatori a $^3$He. In questo contesto si sono sviluppati da una parte il progetto ORIONE/HYDE dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che punta allo sviluppo di scintillatori organici a matrice siliconica in grado di rivelare sia neutroni veloci che termici, dall'altra l'applicazione di tali sviluppi ad attività connesse con il Progetto SPES nell'ambito del PRIN intitolato Sviluppo di Rivelatori e tecniche d'analisi per la sperimentazione con i fasci radioattivi dei Laboratori Nazionali dell'INFN, con particolare riferimento a SPES. All'interno di una matrice scintillante organica (ricca quindi di nuclei di Idrogeno e Carbonio) opportunamente drogata per favorire il processo di scintillazione, viene disperso un ulteriore dopante ad alta sezione d'urto di cattura neutronica (tipicamente $^{10}$B o $^6$Li). Questo scintillatore risulta sensibile alla radiazione neutronica veloce che viene rivelata tramite i processi di urto elastico ed il successivo rinculo dei nuclei che causa l'emissione di luce di scintillazione. Inoltre grazie alle grandi sezioni d'urto dei processi di cattura neutronica da parte del materiale dopante e la successiva emissione di particelle cariche anche la sensibilità ai neutroni di bassa energia (lenti e termici) viene garantita. La matrice utilizzata (polifenil-dimetil silossano) ha ottime proprietà meccaniche e, a differenza di altri materiali utilizzati per la realizzazione di scintillatori per neutroni, non risulta tossica o dannosa per l'ambiente. Inoltre il costo del materiale utilizzato è notevolmente competitivo rispetto alle alternative attualmente in commercio. In questo lavoro di tesi verranno caratterizzati alcuni di questi nuovi scintillatori drogati con $^6$Li. Verrà analizzata la loro risposta in termini di resa di luce quando esposti a flussi di particelle cariche e raggi gamma e a flussi neutronici di bassa energia. I risultati verranno paragonati a quelli ottenuti con uno scintillatore commerciale standard a matrice vetrosa.

Caratterizzazione e calibrazione dei fotomoltiplicatori del sistema di veto di muoni per l'esperimento xenon1t

Alcune osservazioni sperimentali portano ad affermare che la maggior parte della massa dell'universo è costituita da un tipo di materia definita oscura, cioè materia che interagisce solo gravitazionalmente e debolmente. I candidati più promettenti sono tipicamente identificati con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). L'esperimento XENON1T per la rivelazione di materia oscura, in fase di costruzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfrutta uno spessore di 1.4 km di roccia schermante. Il rivelatore è una Time Projection Chamber contenente circa 2 tonnellate di xeno e avrà sensibilità per sezioni d’urto WIMP-nucleo spin-indipendent pari a circa 2x10-47 cm2 (per WIMP di massa 50 GeV/c2), due ordini di grandezza al di sotto degli attuali limiti. Per raggiungere tale sensibilità la TPC sarà inserita in una tank cilindrica riempita di acqua ultrapura, che fungerà sia da schermo passivo contro la radiazione esterna (gamma e neutroni di bassa energia), sia da veto per i muoni cosmici. I muoni possono infatti produrre neutroni di energia tale da raggiungere la TPC e simulare segnali tipici delle WIMP. Essi sono identificati per via della radiazione Cherenkov, emessa in seguito al loro passaggio in acqua, rivelata per mezzo di 84 fotomoltiplicatori (PMT) 8'' Hamamatsu R5912ASSY HQE. Lo studio delle prestazioni e delle caratteristiche dei PMT utilizzati nel sistema di veto di muoni sono lo scopo di questo lavoro di tesi. In particolare è stato preparato un opportuno setup per i test dei fotomoltiplicatori e sono state effettuate misure di guadagno, dark rate ed afterpulse. In una prima fase sono stati testati in aria 50 PMT presso la Sezione INFN di Bologna, nel periodo compreso tra Novembre 2012 e Marzo 2013 ed in una seconda fase sono stati testati in acqua 90 PMT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel periodo compreso tra Aprile e Settembre 2013.

Lo stato di Hoyle e il principio antropico

Una delle scoperte più importanti del novecento, nel ambito della fisica nucleare e della nucleosintesi degli elementi all'interno delle stelle, è sicuramente rappresentata dallo stato di Hoyle, scoperto dall'astrofisico inglese Fred Hoyle nel 1954. Lo stato di Hoyle è un livello eccitato del nucleo dell'atomo di carbonio-12 a 7,65 MeV, la cui importanza risiede nel fatto che grazie alla sua presenza la produzione di carbonio-12 nei nuclei delle giganti rosse (uno stadio dell'evoluzione stellare) aumenta di circa un fattore 10^7, permettendo così l'esistenza di forme di vita intelligenti basate sul carbonio, ovvero noi. Proprio a causa di questa mia ultima affermazione esso viene, in letteratura, spesso affiancato a un principio, chiamato principio antropico, formulato nel 1973 dallo scienziato australiano Brandon Carter e secondo il quale noi ci dobbiamo aspettare di osservare soltanto quelle condizioni che sono necessarie per la nostra presenza e osservazione. Visto lo stretto legame che sembra esistere tra la scoperta di Hoyle e il principio formulato da Carter, l'obbiettivo di questa tesi sarà quindi quello di trattare lo stato di Hoyle con un particolare occhio di riguardo al suo legame con il principio antropico.

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.

~(27)Al+~(27)Al耗散反应截面涨落的角度关联测量

在2 7Al+ 2 7Al(Elab≈ 1 2 0MeV)耗散反应激发函数涨落的实验研究中 ,首次在较大的角度范围内获得截面涨落的角度关联系数和角度关联函数 .实验结果表明 ,角度关联函数的形状呈现明显的非对称性 ,角度相干宽度至少为 4 0°;截面涨落在前后角区表现出明显不同的角度相关性 .

Nuclear dependence of charm production

Using data taken by SELEX during the 1996-1997 fixed target run at Fermilab, we study the production of charmed hadrons on copper and carbon targets with Sigma(-), p, pi(-), and pi(+) beams. Parametrizing the dependence of the inclusive production cross section on the atomic number A as A(alpha), we determine alpha for D(+), D(0), D(s)(+), D(+)(2010), Lambda(+)(c), and their respective anti-particles, as a function of their transverse momentum p(t) and scaled longitudinal momentum x(F). Within our statistics there is no dependence of alpha on x(F) for any charm species for the interval 0.1 < x(F) < 1.0. The average value of alpha for charm production by pion beams is alpha(meson) = 0.850 +/- 0.028. This is somewhat larger than the corresponding average alpha(baryon) = 0.755 +/- 0.016 for charm production by baryon beams (Sigma(-), p).

Advanced functionality for radio analysis in the Offline software framework of the Pierre Auger Observatory

The advent of the Auger Engineering Radio Array (AERA) necessitates the development of a powerful framework for the analysis of radio measurements of cosmic ray air showers. As AERA performs ""radio-hybrid"" measurements of air shower radio emission in coincidence with the surface particle detectors and fluorescence telescopes of the Pierre Auger Observatory, the radio analysis functionality had to be incorporated in the existing hybrid analysis solutions for fluorescence and surface detector data. This goal has been achieved in a natural way by extending the existing Auger Offline software framework with radio functionality. In this article, we lay out the design, highlights and features of the radio extension implemented in the Auger Offline framework. Its functionality has achieved a high degree of sophistication and offers advanced features such as vectorial reconstruction of the electric field, advanced signal processing algorithms, a transparent and efficient handling of FFTs, a very detailed simulation of detector effects, and the read-in of multiple data formats including data from various radio simulation codes. The source code of this radio functionality can be made available to interested parties on request. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Trigger and aperture of the surface detector array of the Pierre Auger Observatory

The surface detector array of the Pierre Auger Observatory consists of 1600 water-Cherenkov detectors, for the study of extensive air showers (EAS) generated by ultra-high-energy cosmic rays. We describe the trigger hierarchy, from the identification of candidate showers at the level of a single detector, amongst a large background (mainly random single cosmic ray muons), up to the selection of real events and the rejection of random coincidences. Such trigger makes the surface detector array fully efficient for the detection of EAS with energy above 3 x 10(18) eV, for all zenith angles between 0 degrees and 60 degrees, independently of the position of the impact point and of the mass of the primary particle. In these range of energies and angles, the exposure of the surface array can be determined purely on the basis of the geometrical acceptance. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Atmospheric effects on extensive air showers observed with the surface detector of the Pierre Auger observatory

Atmospheric parameters, Such as pressure (P), temperature (T) and density (rho proportional to P/T), affect the development of extensive air showers initiated by energetic cosmic rays. We have Studied the impact of atmospheric variations on extensive air showers by means of the surface detector of the Pierre Auger Observatory. The rate of events shows a similar to 10% seasonal modulation and similar to 2% diurnal one. We find that the observed behaviour is explained by a model including the effects associated with the variations of P and rho. The former affects the longitudinal development of air showers while the latter influences the Moliere radius and hence the lateral distribution of the shower particles. The model is validated with full simulations of extensive air showers using atmospheric profiles measured at the site of the Pierre Auger Observatory. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Upper limit on the cosmic-ray photon fraction at EeV energies from the Pierre Auger Observatory

From direct observations of the longitudinal development of ultra-high energy air showers performed with the Pierre Auger Observatory, upper limits of 3.8%, 2.4%, 3.5% and 11.7% (at 95% c.l.) are obtained on the fraction of cosmic-ray photons above 2, 3, 5 and 10 EeV (1 EeV equivalent to 10(18) eV), respectively. These are the first experimental limits on ultra-high energy photons at energies below 10 EeV. The results complement previous constraints on top-down models from array data and they reduce systematic uncertainties in the interpretation of shower data in terms of primary flux, nuclear composition and proton-air cross-section. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Anisotropy and chemical composition of ultra-high energy cosmic rays using arrival directions measured by the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Collaboration has reported. evidence for anisotropy in the distribution of arrival directions of the cosmic rays with energies E > E(th) = 5.5 x 10(19) eV. These show a correlation with the distribution of nearby extragalactic objects, including an apparent excess around the direction of Centaurus A. If the particles responsible for these excesses at E > E(th) are heavy nuclei with charge Z, the proton component of the sources should lead to excesses in the same regions at energies E/Z. We here report the lack of anisotropies in these directions at energies above E(th)/Z (for illustrative values of Z = 6, 13, 26). If the anisotropies above E(th) are due to nuclei with charge Z, and under reasonable assumptions about the acceleration process, these observations imply stringent constraints on the allowed proton fraction at the lower energies.

Search for first harmonic modulation in the right ascension distribution of cosmic rays detected at the Pierre Auger Observatory

We present the results of searches for dipolar-type anisotropies in different energy ranges above 2.5 x 10(17) eV with the surface detector array of the Pierre Auger Observatory, reporting on both the phase and the amplitude measurements of the first harmonic modulation in the right-ascension distribution. Upper limits on the amplitudes are obtained, which provide the most stringent bounds at present, being below 2% at 99% C.L. for EeV energies. We also compare our results to those of previous experiments as well as with some theoretical expectations. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.