Introduzione
La misura sperimentale di questi processi estremamente rari, risulta molto complessa nei laboratori situati sulla super cie terrestre a causa dei raggi cosmici che investono la Terra in ogni istante mascherando il debole segnale atteso. I LNGS sono il luogo adatto per studiare tali processi, poiche 1400 m di roccia del Monte Aquila proteggono le sale sperimentali da questa "pioggia" di particelle costante proveniente dal cosmo.
Nel "silenzio cosmico" dei laboratori, la collaborazione LUNA, ha investigato le reazioni essenziali per la combustione dell'idrogeno, dell'elio e della nucleosintesi primordiale utilizzando fasci di particelle contro bersagli di tipo solido e gassoso.
Descrizione
L'esperimento LUNA ha iniziato la sua attivita di ricerca nei primi anni '90, con l'installazione di un acceleratore con una tensione massima al terminale di 50 kV, presso i laboratori LNGS. LUNA 50 kV, utilizzato no al 2003, e stato il primo acceleratore sotterraneo, progettato appositamente per misure di astro sica nucleare, consentendo di produrre e accelerare fasci di idrogeno ed elio. Nel 2001, e stato installato un nuovo acceleratore da 400 kV, LUNA 400 kV, di tipo Cockcroft-Walton, a singolo stadio che permette di generare intensi fasci di idrogeno ed elio con ottima stabilita temporale ed eccellente risoluzione energetica. LUNA 400 kV e tutt'ora operativo e il fascio prodotto puo essere indirizzato su un bersaglio solido o uno gassoso.
L'interazione del fascio con il bersaglio da luogo all'emissione di radiazione elettromagnetica e particelle cariche. La prima viene rivelata con rivelatori al germanio e con scintillatori mentre le particelle cariche con rivelatori al silicio.
L'utilizzo di schermature (es. piombo, rame e polietilene) attorno ai rivelatori, assieme alla forte riduzione del fondo cosmico - di circa sei ordini di grandezza rispetto ai laboratori in super cie, hanno permesso all'esperimento di essere il primo al mondo dedicato alla misura di sezioni d'urto di processi nucleari di interesse astro sico.
La prima reazione misurata direttamente alle energie rilevanti per il Sole e stata la 3He(3He,2p)4He. Questa misura ha permesso di escludere la presenza di risonanze alle energia solari, risolvendo il "puzzle" del ridotto flusso di neutrini solari osservati nell'esperimento Homestake dal premio Nobel R. Davis.
La misura della sezione d'urto della reazione 14N(p,γ)15O, che tutt'oggi gioca un ruolo chiave nel modello solare, ha portato alla riduzione di un fattore 2 del flusso atteso di neutrini prodotti dal ciclo CNO nel Sole e ha permesso di aggiornare la stima dell'eta della Via Lattea.
Una lunga campagna sperimentale è stata dedicata allo studio della reazione 3He(4He,γ)7Be. Questa reazione gioca un ruolo fondamentale sia nella nucleosintesi primordiale (produzione del 7Li), sia per la produzione di neutrini prodotti nel Sole dai decadimenti del 7Be e 8B. I risultati ottenuti, combinati con altre misure e ettuate ad energie maggiori, hanno ridotto di circa un fattore 2 l'incertezza sulle previsioni del modello solare standard per i flussi di neutrini.
Recentemente, la misura della sezione d'urto della reazione D(p,γ)3He, pubblicata su Nature (2020), ha permesso di stimare la densita barionica durante la Big Bang Nucleosynthesis in eccellente accordo con le analisi recenti di cosmic microwave background (CMB).
Il programma scienti co di LUNA continua con misure a LUNA 400 kV e prosegue studiando processi di interesse astro sico ad energie piu alte, grazie ad nuovo acceleratore da 3.5 MV presso la Bellotti Ion Beam Facility, inaugurato ad Ottobre 2023. La foto in calce mostra la facility IBF e l'apparato sperimentale utilizzato dalla collaborazione LUNA per le misure attualmente in corso.
La lista completa delle reazioni studiate e quelle attualmente in corso dalla collaborazione e riportata nella pagina ufficiale di LUNA1.
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1 https://luna.lngs.infn.it/index.php/scientific-output/publications
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