Principali reazioni termo-nucleari nelle stelle

Le stelle sono strutture fluide in equilibrio idrostatico. Di conseguenza, per equilibrare la forza di gravità è necessario che nell'interno delle stelle ci siano meccanismi capaci di produrre una enorme quantità di energia durante tutto il ciclo vitale della stella, dal momento della sua "nascita" a quello della sua "morte". Questo elaborato vuole esplorare brevemente quali siano questi meccanismi, quanta energia producono e le condizioni necessarie affinché si inneschino. Il primo capitolo introduce nozioni base di fisica nucleare necessarie per la trattazione ed espone le principali reazioni nucleari fondamentali; il secondo capitolo si occupa delle reazioni termonucleari caratteristiche degli interni stellari, ponendo attenzione anche al lato energetico del processo.

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.

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.

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.

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.

Structure of (46)Ti at low excitation energy

The nucleus (46)Ti has been studied with the reaction (42)Ca((7)Li,p2n)(46)Ti at a bombarding energy of 31 MeV. Thin target foils backed with a thick Au layer were used. Five new levels of negative parity were observed. Several lifetimes have been determined with the Doppler shift attenuation method. Low-lying experimental negative-parity levels are assigned to three bands with K(pi) = 3, 0, and 4, which are interpreted in terms of the large-scale shell model, considering particle-hole excitations from d(3/2) and s(1/2) orbitals. Shell model calculations were performed using a few effective interactions. However, good agreement was not achieved in the description of either negative- or positive-parity low-lying levels.

Measurement of the depth of maximum of extensive air showers above 10(18) eV

We describe the measurement of the depth of maximum, X(max), of the longitudinal development of air showers induced by cosmic rays. Almost 4000 events above 10(18) eV observed by the fluorescence detector of the Pierre Auger Observatory in coincidence with at least one surface detector station are selected for the analysis. The average shower maximum was found to evolve with energy at a rate of (106 +/- 35-21) g/cm(2)/decade below 10(18.24) +/- (0.05) eV, and d24 +/- 3 g/cm(2)/ecade above this energy. The measured shower-to-shower fluctuations decrease from about 55 to 26 g/cm(2). The interpretation of these results in terms of the cosmic ray mass composition is briefly discussed.

Limit on the diffuse flux of ultrahigh energy tau neutrinos with the surface detector of the Pierre Auger Observatory

Data collected at the Pierre Auger Observatory are used to establish an upper limit on the diffuse flux of tau neutrinos in the cosmic radiation. Earth-skimming nu(tau) may interact in the Earth's crust and produce a tau lepton by means of charged-current interactions. The tau lepton may emerge from the Earth and decay in the atmosphere to produce a nearly horizontal shower with a typical signature, a persistent electromagnetic component even at very large atmospheric depths. The search procedure to select events induced by tau decays against the background of normal showers induced by cosmic rays is described. The method used to compute the exposure for a detector continuously growing with time is detailed. Systematic uncertainties in the exposure from the detector, the analysis, and the involved physics are discussed. No tau neutrino candidates have been found. For neutrinos in the energy range 2x10(17) eV < E(nu)< 2x10(19) eV, assuming a diffuse spectrum of the form E(nu)(-2), data collected between 1 January 2004 and 30 April 2008 yield a 90% confidence-level upper limit of E(nu)(2)dN(nu tau)/dE(nu)< 9x10(-8) GeV cm(-2) s(-1) sr(-1).

Characterisation of neutron spectra in mixed high energy fields in lineal accelerators: response functions validation

Actualment, la resposta de la majoria d’instrumentació operacional i dels dosímetres personals utilitzats en radioprotecció per a la dosimetria neutrònica és altament dependent de l’energia dels espectres neutrònics a analitzar, especialment amb camps neutrònics amb una important component intermitja. En conseqüència, la interpretació de les lectures d’aquests aparells es complicada si no es té un coneixement previ de la distribució espectral de la fluència neutrònica en els punts d’interès. El Grup de Física de les Radiacions de la Universitat Autònoma de Barcelona (GFR-UAB) ha desenvolupat en els últims anys un espectròmetre de neutrons basat en un Sistema d’Esferes Bonner (BSS) amb un contador proporcional d’3He com a detector actiu. Els principals avantatges dels espectròmetres de neutrons per BSS són: la seva resposta isotròpica, la possibilitat de discriminar la component neutrònica de la gamma en camps mixtos, i la seva alta sensibilitat neutrònica als nivells de dosi analitzats. Amb aquestes característiques, els espectròmetres neutrònics per BSS compleixen amb els estándards de les últimes recomanacions de la ICRP i poden ser utilitzats també en el camp de la dosimetria neutrònica per a la mesura de dosis en el rang d’energia que va dels tèrmics fins als 20 MeV, en nou ordres de magnitud. En el marc de la col•laboració entre el GFR - UAB i el Laboratorio Nazionale di Frascati – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (LNF-INFN), ha tingut lloc una experiència comparativa d’espectrometria per BSS amb els feixos quasi monoenergètics de 2.5 MeV i 14 MeV del Fast Neutron Generator de l’ENEA. En l’exercici s’ha determinat l’espectre neutrònic a diferents distàncies del blanc de l’accelerador, aprofitant el codi FRUIT recentment desenvolupat pel grup LNF. Els resultats obtinguts mostren una bona coherència entre els dos espectròmetres i les dades mesurades i simulades.

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.