Sub-barrier fusion for 24,26Mg + 12C. New techniques of gamma-particle and heavy ion-particle coincidences for 30Si + 12C

Il lavoro di tesi consiste nello studio della dinamica di fusione di sistemi con Q-valore positivo ad energie molto al disotto della barriera Coulombiana. Lo studio di sistemi con Q-valore positivo è di particolare interesse per l'astrofisica, ma stabilire la presenza dell'effetto di hindrance per questi sistemi richiede misure impegnative. Per questo motivo, lo studio di sistemi leggermente più pesanti è molto importante. Il sistema 24Mg+12C è di particolare interesse poichè presenta due caratteristiche particolari. La prima è il valore molto alto della sezione d'urto alla soglia dell'hindrance rispetto ad altri sistemi simili, la seconda sta nel fatto che ad energie molto basse i dati sperimentali sono riprodotti da un semplice modello unidimensionale basato sulla penetrazione della barriera. La funzione di eccitazione del 24Mg+12C è stata riprodotta usando due modelli diversi, il primo è una formula empirica nello spirito del modello adiabatico. La seconda è una parametrizzazione dell'hindrance usato per riprodurre la funzione di eccitazione di molti sistemi con Q-valore positivo. Per capire meglio la ragione dietro l'alto valore della sezione d'urto alla soglia dell'hindrance, è stato misurato il sistema 26Mg+12C. In questo esperimento la sezione d'urto di fusione è stata ottenuta rivelando direttamente i residui di evaporazione (ER) con il set-up PISOLO che consiste in un deflettore elettrostatico usato per separare gli ER dal fascio trasmesso, due MCP che misura il tempo di volo, una camera di ionizzazione che misura l'energia persa e un rivelatore al silicio che misura l'energia residua. Combinando le informazioni fornite da PISOLO è possibile estrarre la sezione d'urto di fusione fino a 6 µb insieme alla derivata logaritmica e al fattore astrofisico S. Confrontando i due sistemi si può notare che nel caso 26Mg+12C il massimo del fattore S è meno evidente e il valore della sezione d'urto alla soglia dell'hindrance è più piccola rispetto al caso del 24Mg+12C. La ragione potrebbe essere la struttura α-like del 24Mg non presente per il 26Mg. Si può anche notare che la derivata logaritmica di entrambi i sistemi presenta delle oscillazioni che potrebbero essere collegate alla bassa densità dei livelli del nucleo composto. Per discriminare fra i due modelli usati per riprodurre la sezione d'urto sperimentale del 24Mg+12C è necessario eseguire misure precise ad energie molto al disotto della barriera. Però, PISOLO non può essere usato per misurare sezioni d'urto inferiore a pochi µb, per questo, sono stati testati due metodi alternativi per misurare funzioni di eccitazione nell'ordine dei nanobarn. Il primo è un miglioramento del set-up PISOLO: due rivelatori al silicio sono stati installati nella camera di reazione per rivelare le particelle cariche evaporate dal nucleo composto in coincidenza con gli ER rivelati da PISOLO. Questa tecnica è stata testata con il sistema 30Si+12C misurando le energie 47, 40 e 37 MeV. I risultati ottenuti mostrano una forte riduzione del fondo che può permettere di misurare sezioni d'urto di fusione inferiori a 1µb con PISOLO, al costo di una efficienza minore del set-up. Il secondo metodo si basa sulle coincidenze fra le particelle evaporate dal nucleo composto e i raggi-γ emessi dagli ER. Per questo esperimento sono stati usati lo spettrometro-γ AGATA e l'array di rivelatori al silicio a due stadi EUCLIDES per studiare l'esperimento 30Si+12C misurando le energie di 47 e 40 MeV. L'analisi è stata fatta selezionando gli eventi riconosciuti come protoni e particelle α negli spettri E-∆E per poi studiare gli spettri-γ in coincidenza. Questo permette di identificare le transizioni che vanno direttamente al fondamentale in modo da estrarre la sezione d'urto di fusione. Il testo ha prodotto buoni risultati e un esperimento basato sulle coincidenze γ-particelle cariche è stato fatto per misurare la sezione d'urto del sistema 28Si+12C usando AGATA e due DSSD.

The thesis work focuses on the study of the fusion dynamics of systems with positive Q-value at energies far below the Coulomb barrier. The study of systems with positive Q-value is of particular interest for astrophysics, but establishing the presence of the hindrance effect for these systems requires challenging measurements. For this reason, the study of slightly heavier systems is very important. The system 24Mg + 12C is of particular interest since it presents two peculiar features. The first one is the very high value of the cross section at the hindrance threshold compared with other similar systems, the second one is that the experimental data at very low energies are well reproduced by a simple one-dimensional barrier penetration calculation. The excitation function of 24Mg + 12C has been reproduced with two different models, the first one is an empirical formula in the spirit of the adiabatic model. The second one is a hindrance parametrization used to reproduce the excitation function of several systems with positive Q-values. To better understand the reason behind the high value of the cross section at the hindrance threshold, the system 26Mg + 12C has been measured. The fusion cross section in this experiment has been obtained detecting the evaporation residue (ER) by the set-up PISOLO consisting of an electrostatic deflector to separate the ER from the transmitted beam, two MCP to measure the time of flight, an ionization chamber to measure the energy loss and a silicon detector giving the residual energy. Combining the information provided by PISOLO it has been possible to extract the fusion cross section down to about 6 µb together with the logarithmic slope and the astrophysical S factor. Comparing the two systems one can notice that for the 26Mg + 12C case the maximum for the astrophysical S factor is narrower and the value of the cross section at the hindrance threshold is smaller compared with what has been obtained for the 24Mg + 12C case. The reason may be the α-like structure of the 24Mg not owned by the 26 Mg. One can also notice that the logarithmic derivative presents some oscillations for both systems that could be related to the low level density of the compound nucleus. To discriminate between the two models used reproducing the experimental cross section of 24Mg + 12C at deep sub-barrier energies it is necessary to perform precise measurements at lower energies. However, PISOLO can not be used to measure cross section below a few µb, therefore, two alternative methods to measure the excitation function in the nanobarns range have been tested. The first one is an upgrade of the PISOLO set-up: two two-stage silicon detectors have been installed inside the reaction chamber to detect the light charged particles evaporated by the compound nucleus in coincidence with the ER detected by PISOLO. This technique has been tested for the system 30Si + 12C measuring three energies 47, 40 and 37 MeV. The results obtained show a large reduction of the background that could allow the measurement of fusion cross section below 1µb with PISOLO, at the cost of a lower efficiency of the set-up. The second method is based on the coincidences between the charged particles evaporated by the compound nucleus and the γ-rays emitted by the ER. To perform this measurement the γ-spectrometer AGATA and the array of two-stage silicon detectors EUCLIDES have been used to study the system 30Si + 12C at the energies of 47 and 40 MeV. The analysis has been performed by selecting the protons and α particles events in the E-∆E spectra and studying the γ-spectra in coincidence. This allows to identify the transitions of the ER that go directly to the ground state so to extract the fusion cross section. The test has been successful and an experiment based on the γ-charged particles coincidence technique has been performed to measure the fusion cross section of the system 28Si + 12C using AGATA and two DSSD detectors.