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Medición de secciones eficaces de fusión entre isótopos de carbono utilizando un blanco activo
Measurement of fusion cross sections of carbon isotopes using an active target
La fusión de núcleos de carbono ha generado preguntas tanto a físicos como astrónomos en al menos los últimos 50 años. Desde los fundamentos de la estructura nuclear hasta descubrimientos de nuevos fenómenos estelares, todavía hay temas abiertos: La fusión en el sistema 12C + 12C muestra oscilaciones que no se presentan en sistemas vecinos y que aún no son totalmente entendidas. Un cambio significativo en la sección eficaz de fusión con isótopos de nitrógeno se observa al agregar un neutrón a la capa cerrada N = 8, pero no pudo estudiarse anteriormente si dicho efecto existe para el carbono. La fusión de isótopos radiactivos de carbono tendría un rol fundamental al abrir nuevos caminos para la nucleosíntesis en ambientes astrofísicos tales como estrellas binarias emisoras de rayos X, en las que se descubrieron nuevos fenómenos explosivos llamados superllamaradas. Estos son sólo algunos ejemplos del impacto que el presente estudio puede tener. En este trabajo se midieron secciones eficaces de fusión en sistemas con haces de carbono con masas A = 10, 12, 13, 14, 15 y con carbono-12 como blanco. Las energías de los haces fueron de unos 3 MeV/nucleón, obteniendo funciones excitación de fusión en el rango de 9 a 18 MeV de energía en el centro de masa, en la mayoría de los casos. Una nueva técnica de medición se presenta en este trabajo, la cual está basada en una cámara de ionización de ánodo múltiplemente segmentado [MUSIC, por sus siglas en inglés], operada como blanco activo, con gas metano [CH4] actuando como medio de detección y blanco al mismo tiempo. Así, se cuenta con un método de detección de alta eficiencia que permite obtener una función excitación en un rango de energías determinado por la presión del gas, sin variar la energía del haz incidente. Esto supone una gran ventaja ya que el tiempo de medición se reduce drásticamente y los datos quedan automáticamente normalizados. La alta eficiencia del detector lo hace ideal para su uso en experimentos donde la sección eficaz del proceso y/o la intensidad del haz son bajas, siendo los procesos que involucran haces radiactivos un ejemplo típico de esa situación. Además, con los experimentos realizados se empujó el límite de las capacidades de la instalación ATLAS [ANL, Estados Unidos], donde se utilizó por primera vez, y con éxito, nuevo equipamiento instalado para la producción en vuelo de haces radiactivos. En el presente trabajo, las funciones excitación experimentales son presentadas y comparadas con datos experimentales previos [para los casos en los que existen] y con diferentes modelos teóricos, encontrando un muy buen acuerdo general. También se incluyen simulaciones, que fueron validadas y pueden resultar útiles para el planeamiento de futuros experimentos que son aquí propuestos.
Carbon fusion has provided questions to both physicists and astronomers for at least the last 50 years. From fundamental nuclear structure to recent discoveries in stellar phenomena, there are still open topics: Fusion of 12C + 12C shows oscillations that are not present in neighboring systems and are yet not completely understood. A significant change in the fusion cross section of systems with nitrogen isotopes has been observed when a neutron is added to the N = 8 closed shell, but this effect remained untested for carbon systems. Radioactive carbon fusion may have a fundamental role opening new paths for nucleosynthesis in astrophysical environments such as X-ray binaries, where new explosive phenomena called superbursts have been recently observed. These are just a few examples on the impact this investigation may have. In this work, fusion cross sections in systems with beams of carbon isotopes with masses A = 10, 12, 13, 14, 15, and carbon-12 as target have been measured. Beam energies of about 3 MeV/nucleon were used for obtaining fusion excitation functions in the center of mass energy range between 9 and 18 MeV, for most cases. A new measurement technique is introduced in this work, which is based in a MUlti-Sampling Ionization Chamber [MUSIC], operated as an active target, with methane gas [CH4] as both counting gas and reaction target. This constitutes a high-efficiency detection method where an excitation function can be sampled in a range determined by the ionization gas pressure, without changing the beam energy. This is a great advantage given it drastically reduces measurement time and data is automatically normalized. The high efficiency of the detector makes it ideal for experiments were the reaction cross section and/or the beam intensity is low, being processes involving radioactive nuclei a typical example of that situation. The experiments presented here also pushed the capabilities of the ATLAS facility, where newly installed equipment for the in-flight production of radioactive ion beam was employed, successfully, for the first time. In the present work, the experimental excitation functions are presented and compared with previous data [when available] and different theoretical models, with a overall very good agreement. Validated simulations are also included, which may be helpful in planning the future experiments that are here proposed.
Tesis para optar al título de Doctor en Ciencia y Tecnología, mención física. Director/es: Arazi, Andrés; Fernández Niello, Jorge