Post on 02-May-2015
transcript
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…