Searching for the Anomalous Internal Pair Creation in 8Be

At the Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL-INFN, Italy), a new e^+e^- pair spectrometer has been designed and constructed. The project aims to study the Internal Pair Creation (IPC) process in 8Be since anomalies in the isovector (1_1^+ -> 0_1^+) and isoscalar (1_2^+ -> 0_1^+) magnetic dipole transitions have been reported for the angular correlation distribution. The present thesis describes the design, construction, and characterization of the new e^+e^- pair spectrometer and the first series of experiments carried out at the AN2000 accelerator. The characterization of the prototype detectors of the spectrometer was performed using cosmic muons, 241Am, and 90S/90Y radiation sources, where the performances for the energy and the interaction position measurement were tested. The e^+e^- pair spectrometer can measure lepton energies from 1 to ~20 MeV and has an angular resolution of about 2.5 deg at a 12.5 cm target-detector distance. The experimental campaign focused on studying the 7Li(p,e^+e^-)8Be nuclear reaction at the resonance energies of 441 keV and 1.03 MeV. LiF targets between 34 and 935 ug/cm^2 thickness with C/Cu backing from 10-60 ug/cm^2 were irradiated with proton beams with intensities of up to 800 nA. Given the presence of 19F in the target, the 19F(p,alpha e^+e^-)16O nuclear reaction also occurs and populates the 0^+_2 in 16O that decays to the ground state via IPC. This transition has been used as a reference to verify the quality of the data collected and the analysis process. The experimental campaign was divided into three stages, involving different setup configurations: the first one was the in-beam commissioning of the detector array using a small-scale setup, while the second and third ones were dedicated to the measurement of e^+e^- pairs emitted in the decay of 16O* and 8Be* using a larger amount of detectors covering different angular regions. The 1_1^+ -> 0_1^+ and 1_2^+ -> 0_1^+ transitions in 8Be and the 0_2^+ -> 0_1^+ transition in 16O were clearly observed and separated, showing the detection capabilities of the spectrometer for such electromagnetic transitions. Eventually, the measured angular correlations for 16O were corrected by the efficiency of the detector array. In this test case, the model of Rose is consistent with the experiential results, with average discrepancies of less than 6%.

Ai Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL-INFN, Italia), è stato progettato e costruito un nuovo spettrometro per misurare coppie e^+e^-. L’obiettivo del progetto è studiare il processo di Creazione Interna di Coppie (Internal Pair Creation, IPC) nel 8Be, poiché sono state riportate anomalie nelle distribuzioni delle correlazioni angolari in transizioni magnetiche dipolari isovettoriale (1^+_1 -> 0^+_1) ed isoscalare (1^+_2 -> 0^+_1). La presente tesi descrive la progettazione, la costruzione e la caratterizzazione del nuovo spettrometro per coppie di e^+e^-, nonché la prima serie di esperimenti condotti presso l’acceleratore AN2000 dei LNL. La caratterizzazione dei rivelatori prototipo dello spettrometro è stata eseguita utilizzando muoni cosmici e sorgenti radioattive di 241Am e 90Sr/90Y. Sono state misurate le performance dello spettrometro sia per la misura dell'energia che della posizione di interazione. Lo spettrometro può misurare energie dei leptoni da 1 a ~20 MeV e ha una risoluzione angolare di circa di 2,5 deg a una distanza bersaglio-rivelatore di 12,5 cm. La campagna sperimentale si è concentrata sullo studio della reazione nucleare 7Li(p,e^+e^-)8Be alle energie di risonanza di 441 keV e 1,03 MeV. Bersagli di LiF con spessori compresi tra 34 e 935 ug/cm^2, supportati da un backing di C/Cu con spessori da 10 a 60 ug/cm^2, sono stati irradiati con fasci di protoni con intensità fino a 800 nA. Data la presenza di 19F nel bersaglio, avviene anche la reazione nucleare 19F(p, alpha e^+e^-)16O, che popola lo stato 0^+_2 in 16O, il quale decade allo stato fondamentale tramite IPC. Questa transizione è stata utilizzata come riferimento per verificare la qualità dei dati raccolti e il processo di analisi. La campagna sperimentale è stata suddivisa in tre fasi, che hanno coinvolto diverse configurazioni del setup: la prima fase è stata la messa in funzione dell’array di rivelatori utilizzando una configurazione su piccola scala, mentre la seconda e la terza fase sono state dedicate alla misurazione delle coppie di e^+e^- emesse nel decadimento di 16O* e 8Be*, utilizzando un numero maggiore di rivelatori che coprivano diverse regioni angolari. Le transizione 1^+_1 -> 0^+_1 e 1^+_2 -> 0^+_1 in 8Be e la transizione 0^+_2 -> 0^+_1 in 16O sono state chiaramente osservate e separati, dimostrando le capacità di rilevazione dello spettrometro. Infine, la correlazione angolare misurata per 16O è stata corretta in base all'efficienza dell’array di rivelatori. In questo caso, i risultati sperimentali sono coerenti con il modello teorico di riferimento, con discrepanze medie inferiori al 6%.