ClaudioUgalde,(web.mit.edu/lns/PEB_Workshop/talks/ugalde_MIT2013.pdfKunz2001(Stugart)...

28
Determina)on of astrophysical thermonuclear rates with a bubble chamber: The 12 C(α,γ) 16 O reac)on case Claudio Ugalde, for

Transcript of ClaudioUgalde,(web.mit.edu/lns/PEB_Workshop/talks/ugalde_MIT2013.pdfKunz2001(Stugart)...

  • Determina)on  of  astrophysical  thermonuclear  rates  with  a  bubble  chamber:  The  12C(α,γ)16O  reac)on  case  

    Claudio  Ugalde,  for  

  •  12C(α,γ)16O  Reac5on  Key  reac)on  for  nucleosynthesis  in  massive  stars,  progenitors  of  Type  Ia  SN,  WD  ages.      

    Affects  the  synthesis  of  most  of  the  elements  of  the  periodic  table  

    Sets  the  C  to  O  ra)o  in  the  universe  

    Determines  the  minimum  mass  a  star  requires  to  become  a  core  collapse  supernova  

    Determines  whether  for  a  given  ini)al  mass,  a  star  will  become  a  black  hole  or  a  neutron  star  

    Affects  the  constraints  on  the  age  of  stellar  popula)ons  from  White  Dwarfs  

    The  varia)on  of  the  C/O  ra)o  in  the  progenitor  might  be  a  cause  of  the  varia)on  of  SNIa  brightness    

    However,  σ  ~  1  x  10-‐17  barns  at  astrophysical  temperatures.      

  • Rolfs  and  Rodney,  1988  

  • S(300)  

    Kunz  2001,  Matei  2006  

  • Yield  ~  N1N2σg  

    0  <  g  <  1  g  =  ε  *(1-‐bkgd/signal)  

    NA συ = NA8

    πµ kT( )3σ E( )

    0

    ∫ E exp − EkT(

    ) *

    +

    , - dE

    N1  

    N2  From  experiments  

     Yield  

  • Kunz  2001  (Stu_gart)  

    • 4  MV  Dynamitron,  480  µA  4He  beam  • 12C  implanted  targets  on  gold  substrate  • 4  large  HPGe,  with  ac)ve  BGO  shield  

    Ec.m.  =  0.95  -‐  2.80  MeV  

    α + 12C --> 16O + γ  beam target signal

     N1=  2x1018    Carbon  implanted  par)cles  N2=  0.5  mA  =  3.12  x  1015  α-‐par)cles/s    in  1  year  (Gamow  window)  N1  N2  =  1.97  x  1041    Yield  =  2  events  in  one  year  

  • Experiment  record  Kunz  et  al.  2001    (100%  error  bar)  

    σ  ~  1  x  10-‐17  barn  He  burning  

    Yield  ~  N1N2σg  

  • 12C  

    α

    16O  

    γ

  • New  approach:  Inverse  reac5on  +  Bubble  chamber  +  γ  ray  beam  

    γ + 16O --> 12C + α  beam target signal

    Monochroma)c  γ  beam  from  HIγS  ~  107-‐8  γ/s  Bremsstrahlung  from  JLab  ~  1010-‐12  γ/s  

    H2O  bubble  chamber  

    • Extra  gain  (x100)  by  measuring  )me  inverse  reac)on    • The  target  density  up  to  x106    higher  than  conven)onal  targets.  •   Superheated  water  will  nucleate  from  α  and  12C  recoils  •   The  detector  is  insensi)ve  to  γ-‐rays  (at  least  1  part  in  1011)    • Prototype  tested  at  HIγS  

  • (STAR)  Claudio  Ugalde   10  

    Acceptance  window  size  is  tunable  by  varying  P  and  T  (amount  of  superheat)  

    C4F10  

  • Ranges  in  water  

  • Δt  =  10  ms  

  • (STAR)  Claudio  Ugalde   13  

    Superhea)ng  of  liquids  Water  

  • (STAR)  Claudio  Ugalde   14  

    Superhea)ng  of  liquids  Water  

    Very  challenging    engineering    

    Test  feasibility  with  a  liquid  requiring    

    technical  simplicity  (C4F10)  

  • (STAR)  Claudio  Ugalde   15  

    HIγS  Photon  Beam  

    E  (electron)  ~  500  MeV  +  

    2  x10-‐10  torr  vacuum  

    Strong  bremsstrahlung    background  component  

  • γ-‐ray  beam  @  8.7  -‐  10.0  MeV  

    Counted  for  ~1  hr  per  data  point  

    Experiment  performed  in  two  12  hour  sessions  

    Proof  of  principle:  as  predicted,  photodisintegra5on  does  induce  nuclea5on  

    • Event  distribu5on  from  1  hour  of  beam.  • 2%  of  events  appear  outside  the  beam  region.  • No  surface  nuclea5on  problems.    

    To  keep  the  bubble  chamber  count  rate  at  0.1Hz  levels,  the  beam  intensity  had  to  be  reduced  from  1x107  to  5x103  γ/s.        

               

  • Ugalde  et  al.  2013  

    15N(α,γ0)19F  

  • Bremsstrahlung  beams    at  Jefferson  Lab  

    CEBAF  12  GeV  

    Injector  

  • (STAR)  Claudio  Ugalde   19  

  • (STAR)  Claudio  Ugalde   20  

    Bremsstrahlung  radiator  +  collimator  

    Geant  4.    Courtesy  of  A.  El  Alaoui  

    electrons  

  • First  water  experiment  HIγS  Scheduled  April  2013  

  • Kunz  2001    N1=  2x1018    Carbon  implanted  par)cles  N2=  0.5  mA  =  3.12  x  1015  α-‐par)cles/s    in  1  year    N1  N2  =  1.97  x  1041    Yield  =  2  events  in  one  year  

    Outlook  10  years  

  • Kunz  2001    N1=  2x1018    Carbon  implanted  par)cles  N2=  0.5  mA  =  3.12  x  1015  α-‐par)cles/s    in  1  year    N1  N2  =  1.97  x  1041    Yield  =  2  events  in  one  year  

    LUNA-‐MV  (Gran  Sasso)    N1=  2x1018    Carbon  implanted  par)cles  N2=  0.5  mA  =  3.12  x  1015  α-‐par)cles/s    in  1  year    N1  N2  =  1.97  x  1041    Yield  =  2  events  in  one  year  

    Outlook  10  years  

  • Kunz  2001    N1=  2x1018    Carbon  implanted  par)cles  N2=  0.5  mA  =  3.12  x  1015  α-‐par)cles/s    in  1  year    N1  N2  =  1.97  x  1041    Yield  =  2  events  in  one  year  

    DIANA  +  JENSA  (DUSEL)    N1=  1x1019    helium  par)cles  gas  target  N2=  10  mA  =6.24  x  1016  carbon  part/s      in  1  year    N1  N2  =  1.97  x  1043    Yield  =  200  events  in  one  year  

    LUNA-‐MV  (Gran  Sasso)    N1=  2x1018    Carbon  implanted  par)cles  N2=  0.5  mA  =  3.12  x  1015  α-‐par)cles/s    in  1  year    N1  N2  =  1.97  x  1041    Yield  =  2  events  in  one  year  

    Outlook  10  years  

  • Kunz  2001    N1=  2x1018    Carbon  implanted  par)cles  N2=  0.5  mA  =  3.12  x  1015  α-‐par)cles/s    in  1  year    N1  N2  =  1.97  x  1041    Yield  =  2  events  in  one  year  

    DIANA  +  JENSA  (DUSEL)    N1=  1x1019    helium  par)cles  gas  target  N2=  10  mA  =6.24  x  1016  carbon  part/s      in  1  year    N1  N2  =  1.97  x  1043    Yield  =  200  events  in  one  year  

    Bubble  +  HIγS2    N1=  3.35x1023    par)cles  in  liquid  target  N2=  2  x  1010  γ/s      in  1  year    N1  N2  =  2.11  x  1041    Reciprocity  -‐>  x100  Yield  =  200  events  in  one  year  

    LUNA-‐MV  (Gran  Sasso)    N1=  2x1018    Carbon  implanted  par)cles  N2=  0.5  mA  =  3.12  x  1015  α-‐par)cles/s    in  1  year    N1  N2  =  1.97  x  1041    Yield  =  2  events  in  one  year  

    Outlook  10  years  

  • Next  genera)on  light  sources  

    ELI-‐NP,  Romania  2015  

    Phase  1  Very  intense  (1013  γ/s),  brilliant  γ-‐ray  beam,  0.1  %  bandwidth,  with  E=  19  MeV    Phase    2  (2018-‐2020)  -‐>  1015  γ/s  

    V.  Zamfir  2011  

    Bubble  +  ELI-‐NP  (Phase  1)    N1=  3.35x1023    par)cles  in  liquid  target  N2=  1  x  1013  γ/s      in  1  year    N1  N2  =  2.11  x  1044    Reciprocity  -‐>  x100  Yield  =  200,000  events  in  one  year  

  • Conclusions  We  completed  both  the  first  test  of  the  prototype  of  the  bubble  chamber  detector  and  the  characteriza5on  of  the  main  sources  of  background  for  the  experiments.    We  have  provided  a  proof  of  principle  of  opera5on  as  a  low  rate  counter  and  proposed  a  scheme  for  higher  count  rates.    The  thin  glass  vessel  appears  to  be  the  best  design  for  a  water-‐based  bubble  chamber.    Bremsstrahlung  from  the  electrons  in  the  ring  manifests  mainly  as  neutrons.  Par5cle  ID  would  help  separa5ng  these  events  from  the  α-‐par5cle  +  heavy  ion  signal.  A  Bremsstrahlung  beam  scheme  with  low  energy  electrons  would  solve  the  problem.      In  the  long  run,  the  success  of  the  project  will  depend  on  beam  intensity,  the  level  of  deple5on  of  water,  and  par5cle  ID.