Electron screening nel laboratorio
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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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Presentation Transcript


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

20-22 Aprile 2005


Electron screening nel laboratorio

Reazioni termonucleari nelle stelle


Electron screening nel laboratorio

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


Electron screening nel laboratorio

(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


Electron screening nel laboratorio

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 !


Electron screening nel laboratorio

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


Electron screening nel laboratorio

Effetto di electron screening


Electron screening nel laboratorio

(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)


Electron screening nel laboratorio

(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


Electron screening nel laboratorio

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


Electron screening nel laboratorio

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


Electron screening nel laboratorio

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?


Electron screening nel laboratorio

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


Electron screening nel laboratorio

Approccio teorico - sperimentale

Quale estrapolazione per Sbare?


Electron screening nel laboratorio

Stopping powers


Electron screening nel laboratorio

(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


Electron screening nel laboratorio

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 !


Electron screening nel laboratorio

Nuovi Risultati Sperimentali


Electron screening nel laboratorio

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


Electron screening nel laboratorio

Esempio:

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


Electron screening nel laboratorio

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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