Astrofyzika

Basic research activities include experiments for nuclear astrophysics using (mainly) the indirect methods as well as the experiments concerning exotic nuclei, nuclei far from stability line. An important aspect of the basic experimental research is cooperation. It not only allows to concentrate efforts and competences of different group, but it also opens an access to various facilities and tools that otherwise would not be possible to operate by one sole group.

ANC for ¹⁴C isotope

The ¹⁴C(n, γ)¹⁵C reaction plays an important role in inhomogeneous big bang models. In Timofeyuk et al. [Phys. Rev. Lett. 96 162501 (2006)] it was shown that the ¹⁴C(n, γ)¹⁵C radiative capture at astrophysically relevant energies is a peripheral reaction, i.e., the overall normalization of its cross section is determined by the asymptotic normalization coefficient (ANC) for ¹⁵C→¹⁴C+n. Here we present new measurements of the ¹⁴C(d, p)¹⁵C differential cross sections at deuteron incident energy of 17.06 MeV and the analysis to determine the ANCs for neutron removal from the ground and first excited states of ¹⁵C. The results are compared with previous estimations.

ANC for ¹⁵N isotope

The ¹⁵N(p,γ)¹⁶O reaction provides a path from the CN cycle to the CNO bi-cycle and CNO tri-cycle. The measured astrophysical factor for this reaction is dominated by resonant capture through two strong J^π=1- resonances at E_R=312 and 962 keV and direct capture to the ground state. Asymptotic normalization coefficients (ANCs) for the ground and seven excited states in ¹⁶O were extracted from the comparison of experimental differential cross sections for the ¹⁵N(³He,d)¹⁶O reaction with distorted-wave Born approximation calculations. Using these ANCs and proton and α resonance widths determined from an R-matrix fit to the data from the ¹⁵N(p,α)¹²C reaction, we carried out an R-matrix calculation to obtain the astrophysical factor for the ¹⁵N(p,γ)¹⁶O reaction. The results indicate that the direct capture contribution was previously overestimated. We find the astrophysical factor to be S(0)=36.0±6.0 keV b, which is about a factor of 2 lower than the presently accepted value. We conclude that for every 2200±300 cycles of the main CN cycle one CN catalyst is lost due to this reaction.

• A. M. Mukhamedzhanov et al., Phys.Rev. C 83, 044604 (2011), Phys.Rev. C 78, 015804 (2008)
• Asymptotic normalization coefficients from the ¹⁴C(d, p)¹⁵C reaction

Astrophysical nuclear reactions - indirect methods

A cooperation with foreign partners is an important factor for the experimental basic research. It not only allows to concentrate efforts and competences of different groups from different countries but it also simplifies the access to various facilities and tools that would not be possible to operate by one sole group. Basic research activities include experiments for nuclear astrophysics using (mainly) the indirect methods as well as the experiments concerning exotic nuclei and nuclei far from stability line.

After a decade of experimental efforts, the eited state 0₂+ in ³⁴Si isotope was found. This neutron rich nucleus is close to Island of Inversion, where classical magic numbers are eroded and a coexistence of spherical and deformed states appears at low excitation energies. The observed stated has an excitation energy 2719(3) keV and a half-life of 19.4(7) ns, the deformation beta was determined to 0.29(4). Moreover,the experimental method allowed to identify that this state is fed from newly observed 1+ state from 34Al with half-life of 26(1) ms.

• collaboration - IFIN-HH Magurele,Bordeaux,GANIL
• F. Rotaru et al., Phys.Rev.Lett.109, 092503 (2012)

The low lying states of 18Na were studied by means of resonant elastic scattering of H(¹⁷Ne,p)¹⁷Ne at energy of 4 A.MeV on radioactive ion accelerator SPIRAL. Supporting arguments for existence of two very narrow low lying states in ¹⁸Na were found. This would result in understanding of two-proton ¹⁹Mg decay proceeds simultaneously - as the so-called true 2p decay.

• collaboration - GANIL/SPIRAL2
• M. Assie et al., Phys.Lett. B 712, 198 (2012)

Astrophysical S(E) factor for ¹¹B(p,alpha)⁸Be reaction was studied in an energy range from 600 keV down to zero by indirect THM method, which repsents the first measurement of astrophysical S factor at the Gamow peak. This energy region covers region of stellar burning of light elements LiBeB and future aneutronic fusion power plants using ¹¹B+p cycle. The measured S factor 2.07 (41) MeVb support the pviously extrapolated one and the experimentally determined screening potential is compatible with the pvious value, confirming that theoretical adiabatic limit gives lower value.

• collaboration - INFN LNS Catania
• L. Lamia et al., J. Phys.(London) G39, 015106 (2012)

The cross section of the radiative proton capture reaction on the drip line nucleus ¹²N was investigated using the asymptotic normalization coefficient (ANC) method. The ¹⁴N(¹²N, ¹³O)¹³C proton transfer reaction at 12 MeV/nucleon was used to extract the ANC for ¹³O → ¹²N + p and calculate from it the direct component of the astrophysical S factor of the ¹²N(p, γ)¹³O reaction. The optical potentials used and the distorted-wave Born approximation analysis of the proton transfer reaction were discussed. For the entrance channel, the optical potential was inferred from an elastic scattering measurement carried out at the same time as the transfer measurement. From the transfer, the square of the ANC, C₂ (p1/2,¹³Og.s.) = 2.53 ± 0.30 fm-1 was determined, and hence a value of 0.33(4) keVb was obtained for the direct astrophysical S factor at zero energy. Constructive interference at low energies between the direct and resonant captures leads to an enhancement of Stotal(0) = 0.42(6) keVb. The ¹²N(p, γ)¹³O reaction was investigated in relation to the evolution of hydrogen-rich massive Population III stars, for the role that it may play in the hot pp-chain nuclear burning processes, possibly occurring in such objects.

• Phys. Rev. C79, (2009), 025805

Shape coexistence in heavy Si isotopes

After a decade of experimental efforts, the excited state 0₂⁺ in ³⁴Si isotope was found. This neutron rich nucleus is close to Island of Inversion, where classical magic numbers are eroded and a coexistence of spherical and deformed states appears at low excitation energies. The observed stated has an excitation energy 2719(3) keV and a half-life of 19.4(7) ns, the deformation beta was determined to 0.29(4). Moreover, the experimental method allowed to identify that this state is fed from newly observed 1⁺ state from ³⁴Al with half-life of 26(1) ms.

• collaboration - IFIN-HH Magurele,Bordeaux,GANIL
• F. Rotaru et al., Phys.Rev.Lett.109, 092503 (2012)

Search for ¹⁸Ne excited states for two-proton decay of ¹⁹Mg

The low lying states of ¹⁸Na were studied by means of resonant elastic scattering of H(¹⁷Ne,p)¹⁷Ne at energy of 4 A.MeV on radioactive ion accelerator SPIRAL. Supporting arguments for existence of two very narrow low lying states in 18Na were found. This would result in understanding of two-proton ¹⁹Mg decay proceeds simultaneously - as the so-called true 2p decay.

• collaboration - GANIL/SPIRAL2
• M. Assie et al., Phys.Lett. B 712, 198 (2012)

S factor in ¹¹B p,alpha reaction by THM method

Astrophysical S(E) factor for ¹¹B(p,alpha)⁸Be reaction was studied in an energy range from 600 keV down to zero by indirect THM method, which repsents the first measurement of astrophysical S factor at the Gamow peak. This energy region covers region of stellar burning of light elements LiBeB and future aneutronic fusion power plants using ¹¹B+p cycle. The measured S factor 2.07 (41) MeVb support the previously extrapolated one and the experimentally determined screening potential is compatible with the previous value, confirming that theoretical adiabatic limit gives lower value.

• collaboration - INFN LNS Catania
• L. Lamia et al., J. Phys. (London) G39, 015106 (2012)

Direct radiative capture ¹²N(p,gamma)

The cross section of the radiative proton capture reaction on the drip line nucleus ¹²N was investigated using the asymptotic normalization coefficient (ANC) method. The ¹⁴N(¹²N, ¹³O)¹³C proton transfer reaction at 12 MeV/nucleon was used to extract the ANC for ¹³O → ¹²N + p and calculate from it the direct component of the astrophysical S factor of the ¹²N(p, γ)¹³O reaction. The optical potentials used and the distorted-wave Born approximation analysis of the proton transfer reaction were discussed.

For the entrance channel, the optical potential was inferred from an elastic scattering measurement carried out at the same time as the transfer measurement. From the transfer, the square of the ANC, C² (p1/2,¹³Og.s.) = 2.53 ± 0.30 fm^-1 was determined, and hence a value of 0.33(4) keVb was obtained for the direct astrophysical S factor at zero energy. Constructive interference at low energies between the direct and resonant captures leads to an enhancement of S_total(0) = 0.42(6) keVb. The ¹²N(p, γ)¹³O reaction was investigated in relation to the evolution of hydrogen-rich massive Population III stars, for the role that it may play in the hot pp-chain nuclear burning processes, possibly occurring in such objects.

• collaboration - Texas A&M University
• A. Banu, et al. Phys. Rev. C79, (2009), 025805

Neutrony, nabité částice

Metodickou bází neutronového výzkumného programu oddělení jsou generátory rychlých neutronů, využívající srážky urychlených protonů cyklotronu U-120M s terčovými jádry lithia (Li) a beryllia (Be).

Základním programem je experimentální validace datové knihovny průřezů neutronových reakcí na jádrech monitorovacích (Au, Bi, Nb, Co, Tm a další – reakce n, xn) a konstrukčních (Fe, Cr, W, Ta – reakce n, nabitá částice) materiálů termojaderných technologií, jako jsou urychlovače-testory neutronové odolnosti jaderných materiálů IFMIF-DONES a rovněž experimentální fúzní reaktor ITER. Srovnávací testy spočívají ve stanovení integrálních účinných průřezů reakcí metodou neutronové aktivace zkoumaných jader a následného měření rozpadu dceřiných jader technikou gama detekce. Součástí laboratoře je soubor HPGe gama-detektorů vysokého rozlišení, doplněný pneumatickým transportem ozářených terčů a vybavený programovým zabezpečením pro vyhodnocení měřených gama spekter.

Měření účinných průřezů vyžaduje detailní znalost produkovaných neutronových polí z generátorů. Neutronové spektrum je měřeno metodou Time-Of-Flight - TOF), v případě generátorů p+Li je množství dopředných píkových neutronů srovnáváno s výsledky, změřenými gama-spektrometrií aktivovaného Li terče. Modelové výpočty kódem MCNPX a knihovnami LA150H a JENDL4.0/HE pak umožňují extrapolovat naměřené výsledky do pozic, kde jsou umístěny aktivační vzorky. Metoda doby letu využívá časovou strukturu neutronového pole, způsobeného přirozenou pulzací urychlených protonů z cyklotronu U-120M, a umožňuje velmi přesně měřit transmise neutronů pres jakýkoliv materiál, například průřez reakce (n,tot) na kyslíku.

Intenzivní neutronové pole vytvářené generátorem p+Be (flux neutronu dosahuje 10¹¹ n/cm²/s) je používáno pro testy odolnosti materiálů a elektronických přístrojů (čtecí elektronika pro kalorimetr ATLAS/CERN, MPI Mnichov) vůči ozáření rychlými neutrony. Elektronické přístroje či jejich součástky jsou ozářeny neutrony, procesy způsobené ozářením jsou sledovány online, nebo jsou elektronické součástky po ozáření testovány různými metodami, aby bylo možné určit změnu jejich charakteristik.

Ozařování materiálu po delší dobu v intenzivním neutronovém poli (desítky hodin, integrál toku neutronů 10¹⁶ n/cm²) vytvoří dostatečné poškození materiálu pro detekci změny materiálu metodou pozitronové anihilační spektrometrie (PALS, ve spolupráci s KFNT, Univerzita Karlova). Pro zkoumané materiály tak může být určena míra poškození neutrony v jednotkách dpa (atomární posuv, displacement per atom).

Kolimace neutronového svazku umožňuje provádět experimenty, při kterých je zkoumaný vzorek vystaven intenzivnímu poli neutronů, a detektory vylétajících částic jsou přitom ve stínu kolimátoru. Pro studium reakcí (n,charged particle) je v rámci infrastruktury CANAM stavěn detekční systém teleskopu ve vakuové komoře. Systém by měl být uveden do provozu v roce 2019 a pracovníci oddělení budou díky němu schopni měřit účinné průřezy reakcí (n,charged particle) a jejich úhlovou závislost.

Princip kolimátoru bude využit také pro pole HPGe detektoru, které bude postaveno do stínu kolimátoru a s jehož pomocí bude měřeno gama záření z materiálu, ozařovaného v neutronovém svazku. Systém řízení cyklotronu pomocí mikrokontroleru umožní opakované rychlé vypínání a zapínání svazku a měření gama záření produktů s dobou života od několika ms. Detektorový systém umožnuje měřit také promptní gama záření z jaderné reakce.

Řízení cyklotronu pomocí mikrokontroleru dále poskytuje možnost měřit zpožděné neutrony z reakcí různých štěpných materiálů s neutronovým polem. Zpomalené neutrony jsou měřeny bezprostředně po vypnutí cyklotronu detektory BF₃, pro moderaci je používán setup z polyetylenu (PE). Poznatky těchto studií a studií štěpných materiálů pomocí neutronové aktivace jsou porovnávány s modelovými výpočty (např. GEF) a poskytují důležitou informaci o štěpení neutrony vyšších energií.

Oddělení se podílí na vývoji neutronové terčové stanice a na návrzích prvních experimentů NFS@SPIRAL2. V rámci výzkumné infrastruktury SPIRAL2-CZ připravuje specializované ozařovací zařízení pro aktivaci zkoumaných materiálů protonovými a deuteronovými svazky, jejich automatický transport a měření zbytkové radiace HPGe detektorem.

Studium aktivace nabitými částicemi má velký význam pro řadu oblastí. Jednou z nich je studium materiálů v kontextu řady běžících strategických výzkumných programů pro velká mezinárodní zařízení, souvisejících s energetikou. Ve spolupráci s teoretiky z IFIN-HH (Magurele, Rumunsko) oddělení provádí aktivace deuteronovými svazky do 20 MeV izotopů, jako jsou Al, Cu, Nb, Ni a Fe. Výsledky přinášejí důležité informace pro reakční databáze pro budoucí IFMIF-DONES a další zařízení, postavená na urychlovačích. Ukazuje se, že pro správný popis experimentálních výsledků je třeba uvažovat celý komplex procesů – přímé reakce, před-rovnovážné procesy i reakce přes složené jádro. Výsledky také iniciovaly intenzivní vylepšování jaderných modelů, což je důležité pro popis reakcí, které v současnosti nelze měřit experimentálně. Vylepšené teoretické modely vedou k bezpečnější energetice v budoucnosti a většímu porozumění procesům nukleosyntézy, např. při výbuchu supernov.