Luna

Introduzione

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.

Collaborazione

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