Luna

luna x web

 

Introduzione

L’esperimento LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) si occupa di riprodurre in laboratorio le reazioni nucleari che generano la maggior parte dell’energia prodotta dalle stelle e che hanno permesso la sintesi degli elementi all’interno delle stelle e nell’Universo primordiale. Tali reazioni sono caratterizzate da una probabilità (sezione d’urto) molto piccola alle energie di interesse astrofisico e risultano molto difficili da misurare in laboratori alla superficie terrestre dove il fondo cosmico maschererebbe il debole segnale atteso. Negli ultimi 25 anni la collaborazione LUNA ha installato due acceleratori nei laboratori sotterranei dei LNGS e misurato alcune reazioni chiave del ciclo di combustione dell’idrogeno e della nucleosintesi primordiale. Prossimamente verrà installato un nuovo acceleratore che consentirà di misurare anche reazioni dei cicli di combustione dell’elio e del carbonio.

 

Descrizione

L’acceleratore LUNA 400 kV è installato nei laboratori sotterranei dei LNGS dall’anno 2000. Si tratta di un acceleratore di tipo Cockcroft-Walton, a singolo stadio, in grado di fornire fasci molto intensi di protoni ed elio con un’ottima stabilità temporale ed un’eccellente risoluzione energetica. Il fascio di LUNA 400 kV, attraverso due diverse linee di trasporto, può raggiungere un bersaglio solido o uno gassoso. Il primo può essere prodotto per impiantazione, evaporazione o anodizzazione ed in generale viene raffreddato con acqua per dissipare la potenza che il fascio molto intenso vi deposita. Il bersaglio è montato vicino ad un tubo di rame raffreddato con azoto liquido che rallenta l’accumulo di carbonio sulla superficie del bersaglio stesso. Il secondo è di tipo "a pompaggio differenziale", privo di finestre di separazione che degraderebbero l’energia delle particelle del fascio: le differenti pressioni che vanno dal mbar nella zona del bersaglio vero e proprio ai 1E-6 mbar verso l’acceleratore sono mantenute da un sistema di pompe e collimatori opportuni. Le reazioni nucleari che avvengono in seguito all’interazione del fascio con il bersaglio possono dare luogo a fotoni o particelle cariche. I primi vengono in generale rivelati con rivelatori al Germanio ad alta purezza (HPGe) o con scintillatori BGO; le seconde con rivelatori al silicio. I rivelatori possono essere schermati con piombo e/o rame per diminuire la componente di fondo ambientale ed eventualmente la schermatura può essere circondata da una “radon box” che consente di sostituire l’aria contenente Radon con azoto all’interno del volume racchiuso. La combinazione tra la riduzione del fondo cosmico offerta dai laboratori sotterranei e quella del fondo ambientale ottenuta con schermature passive, molto più efficaci sottoterra a causa del ridotto fondo muonico che crea radiazione secondaria all’interno della schermatura, rende l’esperimento LUNA unico al mondo per la misura di sezioni d’urto di reazioni nucleari di interesse astrofisico. LUNA ha ottenuto, nei passati 25 anni, risultati molto importanti in questo campo: con il primo acceleratore installato sottoterra nel periodo 1992-2001, LUNA 50 kV, è stato possibile misurare la reazione 3He(3He,2p)4He fino alle energie rilevanti per il nostro Sole (picco di Gamow del Sole) ed escludere la presenza di risonanze. La possibilità di una risonanza a basse energie in questa reazione era stata suggerita dal premio Nobel W. Fowler per risolvere il cosiddetto “solar neutrino puzzle”, ossia spiegare lo scarso flusso di neutrini solari osservati nell’esperimento realizzato negli anni 60 da un altro premio Nobel, R. Davis. Una risonanza nella reazione 3He(3He,2p)4He avrebbe sfavorito il ramo della catena p-p del ciclo di combustione dell’idrogeno che produce il 8B, il cui decadimento rilascia i neutrini effettivamente osservati nell’esperimento di Davis. In seguito LUNA ha misurato la reazione chiave del ciclo CNO di combustione dell’idrogeno, 14N(p,γ)15O, trovando un valore per la sua sezione d’urto circa la metà di quanto fino allora stimato. Tra le più importanti conseguenze di questa misura, va ricordata la riduzione (di circa un fattore 2) del flusso aspettato di neutrini prodotti dal ciclo CNO nel Sole. Inoltre, le stima di età degli Ammassi Globulari Galattici, gruppi di stelle tra le più antiche della nostra Galassia, sono state riviste: la Via Lattea è così risultata essere più vecchia di circa 1 miliardo rispetto alle precedenti valutazioni. Un’altra misura chiave è stata quella della reazione 3He(4He,γ)7Be, importantissima sia per la nucleosintesi primordiale (produzione di 7Li) sia per la produzione di neutrini prodotti nel Sole dai decadimenti del 7Be e del 8B. La misura di LUNA, combinata con altre misure effettuate ad energie maggiori, ha consentito una riduzione di circa un fattore 2 dell’incertezza sulle previsioni del modello solare standard per i flussi di neutrini. LUNA ha studiato anche reazioni importanti per la nucleosintesi stellare come, ad esempio, la 25Mg(p,γ)26Al, fondamentale per la comprensione dell’abbondanza di 26Al in diversi ambienti stellari o, più di recente, la 17O(p,γ)18F. Quest’ultima è stata studiata nell’intervallo energetico di interesse per le Novae, stelle compatte, appartenenti a sistemi binari stretti, soggette a periodiche esplosioni termonucleari superficiali. Per questa misura sono state utilizzate due diverse tecniche sperimentali tra loro complementari. Il tasso di reazione ottenuto, 4 volte più preciso di quello disponibile in letteratura, ha consentito di migliorare i modelli per la nucleosintesi delle Novaee, quindi,le previsioni delle abbondanze prodotte di diversi isotopi dell’ossigeno, del fluoro e dell’azoto. Recentemente LUNA ha misurato anche la reazione chiave per la produzione di 6Li durante la nucleosintesi primordiale, 2H(α,γ)6Li. I risultati ottenuti hanno definitivamente escluso che questo isotopo possa essere stato prodotto dal Big Bang. Il programma sperimentale di LUNA è ancora molto ricco e prevede la misura di altre reazioni di grande interesse per l’astrofisica e la cosmologia. Inoltre, la prossima installazione del nuovo acceleratore LUNA MV in sala C, consentirà di misurare anche reazioni di interesse per i cicli di combustione dell’elio o del carbonio, quali la 12C(α,γ)16O, processo essenziale per comprendere l’evoluzione delle stelle massicce, la 13C(α,n)16O e la 22Ne(α,n)25Mg che forniscono il flusso di neutroni necessario per il processo s (slow neutron capture) responsabile della formazione dei nuclei di massa medio grande, e la 12C+12C con emissione di protoni e particelle alfa, reazione principale del ciclo di combustione del carbonio.


Uno sguardo al futuro: LUNA MV

Dopo i numerosi successi ottenuti in oltre 15 anni di lavoro con gli acceleratori LUNA 50 kV e LUNA 400 kV, nel 2007 la collaborazione LUNA propone l'installazione di una macchina capace di raggiungere energie più elevate rispetto agli acceleratori precedenti. Il nuovo acceleratore, LUNA MV, avendo una tensione di 3.5 MV, permetterebbe di studiare alcune reazioni che avvengono nelle stelle a temperature tra i 500 milioni e il miliardo di gradi, e quindi ad energie più elevate rispetto a quelle studiate con gli acceleratori precedenti.
Negli anni successivi il progetto LUNA MV viene definito in maniera più puntuale ed inizia un vero e proprio studio di fattibilità. Grazie al finanziamento concesso da parte del Mini­stero della Ricerca Italiano (MIUR). che riconosce in LUNA MV un progetto ambizioso su cui puntare per far si che i LNGS consolidino ulteriormente la propria capacità operativa, l'acquisto dell'acceleratore e la costruzione dell'infrastruttura atta ad ospitarlo possono diventare realtà.
L'installazione del nuovo acceleratore è prevista per il 2019 nella Sala B dei LNGS. L'acceleratore sarà in grado di fornire intensi fasci di protoni, particelle alfa e ioni di Carbonio a due diverse linee di fascio, una attrezzata con bersagli solidi e l'altra con bersagli di tipo gassoso. La macchina e le linee di fascio saranno ospitate all'interno di una infrastruttura di cemento di 80 cm di spessore che garantirà una completa schermatura dell'acceleratore rispetto al resto dei LNGS. In questo modo anche il piccolo flusso di neutroni prodotto dalle reazioni studiate non interferirà con le misure in corso negli altri esperimenti dei LNGS.
Il programma scientifico di LUNA MV è estremamente ambizioso e molto esteso nel tempo: studiare reazioni nucleari chiave per la combustione dell'elio e del carbonio e le cosiddette reazioni "sorgenti di neutroni" che producono il flusso di neutroni necessario per la formazione di gran parte degli elementi più pesanti del Ferro.

LUNA MV LAY OUT Prati002

 

Responsabile del progetto
Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo. (Università degli Studi di Genova e INFN Genova)

 

Collaborazione

ITALIA
Università degli Studi di Bari e INFN Bari: G. D’Erasmo, E.M. Fiore, V. Mossa, F. Pantaleo, V. Paticchio, R. Perrino, L. Schiavulli, A. Valentini
Università degli Studi di Genova e INFN Genova: P. Corvisiero, F. Cavanna, F. Ferraro, P. Prati
INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso: A. Best, A. Formicola, M. Junker, I. Kochanek, L. Leonzi, S. Gazzana
Gran Sasso Science Institute: A. Boeltzig, G.F. Ciani
Università degli Studi e INFN Milano: A. Guglielmetti, D. Trezzi
Università degli Studi e INFN Napoli: A. Di Leva, G. Imbriani
Università degli Studi e INFN Padova: C. Broggini, A. Caciolli, R. Depalo, R. Menegazzo
INFN Roma: C. Gustavino
Università degli Studi e INFN Torino: G. Gervino
Osservatorio Astronomico di Collurania, INAF Teramo: O. Straniero

GERMANIA

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Dresden: D. Bemmerer, T. Szucs, M. Takacs

GRAN BRETAGNA

University of Edinburgh: M. Aliotta, C. Bruno, T. Davinson

UNGHERIA

Institute for Nuclear Research (MTA ATOMKI), Debrecen: Z. Elekes, Zs. Fulop, Gy. Gyürky

 

Pubblicazioni recenti

 

D. Scott et al, “First direct measurement of 17O(p,γ)18F reaction cross-section at Gamow energies for classical Novae”
Phys. Rev. Lett 102 (2012) 202501
O. Straniero et al., “Impact of a Revised 25 Mg(p,γ)26Al Reaction Rate on the Operation of the Mg-Al Cycle”
The Astrophysical Journal 763 (2013) 100
A. Di Leva, et al.,“Underground study of the 17O(p,γ)18F reaction relevant for explosive hydrogen burning”
Phys. Rev. C 89 (2014) 015803
M. Anders et al., “First Direct Measurement of the 2H(α,γ)6Li Cross Section at Big Bang Energies and the Primordial Lithium Problem”
Phys. Rev. Lett 113 (2014) 042501

 
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