Underground study of 15N(p,gamma)16O at stellar energies

Since the ancient times, mankind has been wondering about the role of stars, both in the sky at night and in his life. Actually we know that stars are the forges of the elements which constitute our universe and of course ourselves. As a matter of fact, we are made of stardust. Since the Eddington hypothesis that the energy which powers the sun and other stars comes from thermonuclear reactions, the scientists have done a lot of work to under- stand the mechanisms of nuclear reactions inside stars. All the elements of the periodic table (except hydrogen, helium and lithium which are synthesized during the Big Bang Nu- cleosynthesis) are produced inside the stars. Many theories were formulated and supported by experimental measurements, however there are still many questions to be answered. Many models have been developed in order to describe stellar systems. In recent years, due to the resources provided by the new high performance computers, the models can describe the stellar behavior also in three dimensions extending our knowledge of the stellar interior. One critical input of these models is the cross section of the nuclear reactions. The knowledge of the cross section at the stellar energies lies at the heart of nuclear astrophysics. At these energies nuclear reactions are strongly suppressed by the Coulomb repulsion of the colliding nuclei and the cross section is extremely small. As a matter of fact, the reaction rates are too low to be measured due to the overwhelming experimental background. In overground laboratories the nuclear reactions can be measured at higher energies than those inside the stars, and then extrapolated to stellar energies. To reduce the uncertainties on the extrapolation procedure considerable efforts have been spent in recent years to push the cross section measurements to lower and lower energies. LUNA (Laboratory of Underground Nuclear Astrophysics), thanks to its unique position in the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), can study nuclear reactions at energies much lower than ever reached before. Thanks to the natural shielding of the 1.4 km of rock offered by Gran Sasso, it has been possible, in particular, to directly determine the rate of 3He(3He,2p)4He, one of the most important reaction of the p-p chain, at the energies of the center of the sun. 14N(p,γ)15O, the key reaction of the CNO cycle, has also been studied in great details obtaining a cross section smaller by a factor two as compared to previous extrapolations. The other important reaction of the cycle is 15N(p,γ)16O which links the first to second CNO cycle. In this thesis I will discuss the study of 15N(p,γ)16O performed with a gas target and a solid target setup in two different experiments. The first chapter is a brief description of the general characteristics of thermonuclear reactions in the stars. In the second chapter the LUNA2 accelerator will be reviewed and the two beam channels, dedicated to the gas target and solid target experiments, will be described. Finally, the third and the fourth chapters are devoted to the 15N(p,γ)16O measurements. Specifically in the third chapter the analysis of the gas target data will be discussed and the results presented. The fourth chapter is dedicated to the analysis of the solid target data, in particular to the different measurements performed to characterize the targets. We measured the cross section of 15N(p,γ)16O for the first time down to 70 keV obtaining values smaller by about a factor two as compared to the extrapolation in the NACRE (Nuclear Astrophysics Compilation of REaction Rates) database. Finally, the influence of our results on isotope production in nova explosions will be discussed.

Sin dall'antichità, l’uomo si è chiesto quale fosse il ruolo delle stelle nell’universo e nella sua vita. Adesso sappiamo che le stelle sono le fucine dove vengono prodotti gli elementi che costituiscono l’universo e, di conseguenza, anche il nostro corpo. Per questa ragione ci possiamo considerare polvere di stelle. Da quando Eddington formulò la sua ipotesi, secondo la quale l’energia che alimenta il sole e le altre stelle viene fornita dalle reazioni termonucleari che trasformano gli elementi leggeri in quelli via via più pesanti, gli scienziati si sono prodigati a lungo per comprendere i dettagli delle reazioni nucleari all’interno dei corpi celesti. Tutti gli elementi della tavola periodica (con l’eccezione di idrogeno, elio e litio che sono prodotti durante la Nucleosintesi del Big Bang) sono generati all’interno delle stelle. Fino ad ora sono state formulate molte teorie supportate dai risultati sperimentali, ma rimangono ancora diversi quesiti irrisolti. Vari modelli sono stati sviluppati per descrivere i sistemi stellari. In particolare, negli ultimi anni, grazie alla potenza di calcolo dei computer di nuova generazione, i modelli riescono a descrivere la struttura e lo sviluppo delle stelle anche in tre dimensioni. In questo modo si riesce a studiare in maniera sempre più approfondita la struttura interna dei corpi celesti. Un input fondamentale per questi modelli è la sezione d’urto delle reazioni nucleari. La conoscenza della sezione d’urto all’energia propria delle stelle rappresenta il cuore dell’astrofisica nucleare. A queste energie le reazioni nucleari sono fortemente soppresse dalla repulsione Coulombiana dei nuclei interagenti e la sezione d’urto è molto piccola. E' possibile misurare queste reazioni nucleari in laboratorio, ma solo ad energie più elevate di quelle di interesse astrofisico. Infatti la sezione d’urto estremamente piccola si traduce in un rateo di eventi molto basso e non separabile dal fondo ambiente. Le sezioni d’urto così ottenute devono essere estrapolate alle energie proprie delle stelle introducendo una notevole incertezza. Negli ultimi anni sono stati fatti considerevoli sforzi in modo da misurare la sezione d’urto ad energie sempre più vicine a quelle di interesse astrofisico. In particolare, LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics), grazie alla sua posizione privilegiata all’interno dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), sfrutta la soppressione dei raggi cosmici e può quindi studiare le reazioni nucleari alle basse energie non esplorabili negli esperimenti di superficie. La schermatura naturale di 1.4 km di roccia fornita dal Gran Sasso ha reso possibile, ad esempio, lo studio della reazione 3He(3He,2p)4He, una delle più importanti reazioni della catena protone-protone, alle energie alle quali avviene nel sole. 14N(p,γ)15O, la reazione chiave del ciclo carbonio azoto ossigeno (CNO), è stata anch’essa studiata da LUNA ottenendo una sezione d’urto minore di un fattore due rispetto alle precedenti estrapolazioni. L’altra importante reazione del ciclo e` 15N(p,γ)16O che collega il primo con il secondo ciclo CNO. In questo lavoro di tesi presenterò lo studio di questa reazione, svolto utilizzando due differenti tipologie di setup: con bersaglio gassoso e con bersaglio solido, rispettivamente. Il primo capitolo è una breve descrizione delle principali caratteristiche delle reazioni termonucleari nelle stelle. Nel secondo capitolo verrà presentato l’acceleratore LUNA2 insieme ai due canali di misura utilizzati e verranno descritte le caratteristiche del rivelatore BGO. Infine, il terzo e il quarto capitolo vertono sulla misura della reazione 15N(p,γ)16O. Nello specifico il capitolo tre è dedicato all’analisi delle misure eseguite con il bersaglio gassoso ed ai risultati sperimentali ottenuti con questo setup. Nel capitolo quattro, invece, vengono presentati i risultati delle misure eseguite con bersaglio solido soffermandosi in particolare sulle metodologie di analisi dei bersagli utilizzati. In sintesi, la sezione d’urto della reazione 15N(p,γ)16O è stata misurata per la prima volta sino all’energia di 70 keV nel centro di massa. Il risultato ottenuto riduce di un fattore due la precedente estrapolazione delle misure dirette riportata nel database NACRE (Nuclear Astrophysics Compilation of REaction Rates). Alla fine, verranno discusse le implicazioni di questi nuovi risultati per la sintesi degli elementi nelle esplosioni di novae.