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

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.