Electron screening nel laboratorio

Francesco RaiolaRuhr 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

Reazioni termonucleari nelle stelle

particelle cariche barriera coulombiana

effetto tunnel

Ekin ~ kT (keV) Ecoul ~ Z1Z2 (MeV)

nuclear well

Coulomb barrierV

rr0

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

energia disponibile: da moto termico

Reazioni termonucleari nelle stelle: particelle cariche

reazioni procedono per EFFETTO TUNNEL

probabilitá tunneling P exp(-2)

durante quiescent burnings: kT << Ec

GAMOW factor

(E) = exp(-2) S(E) E1

(solo per s-waves!)

origine non-nucleareFORTE dipendenza

dall’energia

origine nucleareDEBOLE dipendenza dall’energia

Definizione del FATTORE ASTROFISICO S(E)

(reazioni non risonanti!)

misura di (E) in un intervallo di energia abbastanza grande,

quindi ESTRAPOLAZIONE dei dati fino al picco di Gamow E0!

CROSS SECTION

Procedura sperimentale:

LOGSCALE

misure dirette

E0 Ecoul

Coulomb barrier

(E)

non-risonanza

risonanza

necessaria estrapolazione !

molti ordini di grandezza

Approccio sperimentale: estrapolazione

Er

INCERTEZZA NELL’ESTRAPOLAZIONE !

processi non risonanti

interaction energy E

estrapolazionemisure dirette

0

S(E)

LINEARSCALE

S(E)-FACTOR

-Er

risonanzasotto-soglia

coda a basseenergie di unalarga risonanza

Approccio sperimentale: estrapolazione

SOLUZIONI ALTERNATIVE

Go UNDERGROUND riduzione del fondo (cosmic back.)

es.: LUNA facility

Uso di metodi INDIRETTI (THM, Coulomb dissociation)

LIMITAZIONE INTRINSICA

A basse energie (poche decine di keV)

ELECTRON SCREENING EFFECT

Approccio sperimentale: estrapolazione

Effetto di electron screening

nei laboratori terrestri:

interazioni tra ioni (proiettili) e atomi o molecole (bersaglio)

(E) = S(E) exp(-2) E1

penetrazione della barriera coulombiana per nuclei NUDI

Rn Rt

Coulo

mb

pote

nti

al

Ec

0

E

nudo

schermatoE + Ue

RD

nel plasma stellare: ioni in un mare di elettroni

Raggio di Debye-Hückel

RD ~ (kT/)½

Ue = potenziale di electron screening

Approccio sperimentale: electron screening

Similarmente:

fplasma(E) = plasma(E)

bare(E)

(E)

screened

bare

E

fattore di accrescimento della cross-section:

Approccio sperimentale

conoscenza necessaria flab(E) miglioramento del calcolo di fplasma(E)

Però: electron screening nel lab. DIVERSO dall’electron screening nel plasma

PROBLEMA: Ue sperimentale >> Ue teorico

exp(-2(E+Ue))

exp(-2(E))

S (E+Ue)

E+Ue

=E

Sb(E)

f(E) exp(Ue/E) 1

tipicamente: Ue << E

MODELLO STATICO

potenziale elettrostatico dovuto alla nuvola elettronica

Ue = Z1Z2e2/Ra

MODELLI DINAMICI

due casi limite limite impulsivo limite adiabatico

vp >> ve

proiettile elettrone(i) orbitale

minima energia trasferita dal moto elettronico a quello nucleare

vp << veproiettile elettrone(i)

orbitale

massima energia trasferita dal moto elettronico a quello nucleare

Approccio teorico

Ra = raggio atomico

Ad energie di interesse astrofisico:

LIMITE ADIABATICO: approccio valido limite teorico superiore

E0

bare S(E)

S(E)

Estrapolazione deidati ad alta energia

screened S(E)

fit dei dati sperimentali a bassa energia

Ue

Approccio sperimentale

Risultati sperimentali Ue sempre maggiore del limite adiabatico !

3He(d,p)4He

Un esempio

Aliotta M. et al.: Nucl. Phys. A690 (2001) 790

PERCHÈ? modelli corretti per Ue?

reliable extrapolation for S(E)bare? corretti valori di stopping powers?

theo

Ue = 120 eV

Ue = 2197 eVexp

theo

3He(d,p)4He(Ue=119 eV)

D(3He,p)4He(Ue=65 eV)

note

[1] Engstler et al. (1988): 12010 eV 664 eV Sbare(E): fit to Krauss data (1987)Ecm 7-140 keV

[2] Prati et al. (1994): 1869 eV [1] 1239 eV [1]+[2] Sbare(E): parametrization - Chulick (1993)Ecm 24 keV - 10 MeV

[3] Langanke et al. (1996): 1308 eV [1]

[4] Geist et al. (1999):

Sbare(E): parametrization - Chulick (1993)stopping powers: Golser & Semrad (1991)

17729 eV [1]

17028 eV [1] Sbare(E): parametrization - Chulick (1993) + data normalization

Sbare(E): R-matrix - Geist (1999)

[5] Costantini et al. (2000): 1329 eV Sbare(E): parametrization - Geist (1999)

measured stopping powers = Ziegler

LUNA collaboration

[6] Aliotta, Raiola et al.(2001):2199 eV 1099 eV [5]+[6]Sbare(E): parametrization - Geist (1999)

measured stopping powers Ziegler

Sommario dei risultati attuali

Approccio teorico - sperimentale

Quale estrapolazione per Sbare?

Stopping powers

(log. scale)

Energy0

(E)

regioneastrofisica

E

(lin. scale)

e.g. at E ~ 10 keV

E/E 0.2%

/ 6%

3He(d,p)4He

misure a basse energie

é necessaria unaprecisa conoscenza

dell’energia d’interazione

E1

(E) = S(E) exp(-2)

L’importanza dello stopping power

principale sorgente perdita di energia di incertezza del fascio nel bersaglio

valori estrapolatiSRIM 2000

dati sperimentaliGolser & Semrad (1991)

valori misuratiSRIM 2000

stopping powerdi gas He su D

+ alte cross-sections+ bassi S(E)-factors

+ bassi valori di Ue !

+ bassi stopping powers

interazione ioni – electroni(ionizzazione & eccitazione)

(md+me)2

4 md me

Ed = Ee max. energia trasferita (1s2s ):

threshold effect a Ed 18.2 keV

principale contributo allaperdita di energia:

Nuovi Risultati Sperimentali

studio sistematico (58 campioni) del potenziale di screening nella D(d,p)t in metalli deuterati

Puó uno environment metallico simulare il plasma stellare?

Si

Ni foil

aperture8 mm

x/y wobbling

units

D+ ion beam MxD target

Cu pipe-200 V

SiLN2-cooled

turbo pump = 130° P = 2x10-8 mbar

Setup sperimentale

Czerski K. et al.: Europhys. Lett. 54 (2001) 449

Ue (D-metallo ) ~ 10-30 volte + Ue (D-gas)

Studio dell’electron screening per D(d,p)t in bersagli deuterati (Ti,Al,Zr)

Procedura sperimentale Kr sputtering impiantazione di D misura del S-factor

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

21

20

en

kTR

aDebye

Debyee R

eZZU

221

21TU e

Esempio:

322106

1

293

cm

n

KT

a

eVU e 300

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)

Misure in progress…