Výzkum

Astrofyzikální reakce ¹⁷O(n, α)¹⁴C a aplikace metody ANC na přenos nukleonu ¹⁷O(d, p) při nízkých energiích.

Spolupracující subjekt: INFN-LNS ad.

AGB hvězdy - rudí obři v pokročilém stadiu vývoje - jsou původci mnoha prvků těžších než železo. Jejich produkce závisí na hustotě neutronů ve hvězdě. Jedna z reakcí, která by měla významně odčerpávat neutrony je ¹⁷O(n,α)¹⁴C. V práci byly studovány 4 stavy/rezonance v ¹⁸O, které jsou klíčem k této otázce. Kombinovaný přístup metodami THM a ANC dovoluje zpřesnit reakční rychlosti a ukazuje, že některé těžké izotopy (⁸⁷Rb, ¹⁴²Ce, ²⁰⁴Hg ad.) jsou produkovány o 10% - 20% častěji, než se doposud očekávalo.

Obr.: Rychlosti reakce ¹⁷O(n,α)¹⁴C v závislosti na teplotě (v miliardách Kelvinů). Zeleně je současný výsledek metodou ANC, černě a červeně dřívější předpoklady, modře - výsledek metodou THM.

[1] G. L. Guardo et al., “Asymptotic Normalization Coefficient Investigation of the ¹⁷O(d, p) Transfer for Astrophysical Application to the ¹⁷O(n, α)¹⁴C Reaction at Low Energies,” ApJ, vol. 975, no. 1, p. 32, Oct. 2024, doi: 10.3847/1538-4357/ad7604.

Hledání izotopu sodíku ²²Na v Novách a nová metoda měření poločasů na úrovni femtosekund

Klasické novy jsou způsobeny termonukleárními explozemi v asymetrických dvojhvězdných systémech, kde hvězda předává hmotu bílému trpaslíkovi. Novy produkují radioaktivní izotopy ²⁶Al a ²²Na - jejich gama záření lze pozorovat z oběžné dráhy. Zatímco gama záření z rozpadu 26Al je k nám přichází ze všech míst Galaxie, ²²Na zůstává nevystopovatelné. Důvodem je jednak krátký poločas rozpadu (2,6 roku), ale také neznáme, jaké množství ²²Na nova vyrobí. Přesnější měření dovolí předpovědět možnosti budoucích orbitálních teleskopů takové pozorování učinit. Reakce ²²Na(p, γ)²³Mg zůstává jediným zdrojem velké nejistoty ohledně množství vyvrženého ²²Na. Rychlost reakce je ovlivněna jedinou rezonancí (krátkožijícím stavem) při 7785 keV v ²³Mg. V tomto experimentu byl použit svazek ²⁴Mg na terči obsahující 3He a studován byl vznik právě ²³Mg. Analýzou rychlostí ²³Mg v momentu jeho vzniku a jeho rychlosti v momentu vyzáření gama (z krátkožijící rezonance) byly nalezeny doby života třech rezonancí v oblati 4 - 40 femtosekund. Tato nová, až přelomová metoda dovolila odhadnout, že u příští generace orbitálních gama detektorů bude maximální vzdálenost pro detekci ²²Na z nov 10-12 tisíc světelných let (velikost naší galaxie je asi 100 tisíc světelných let).

Obr.: Grafy ukazují rozdíly rychlosti iontu ²³Mg v bodě reakce a v bodě emise gama. Proložené křivky ilustrují schopnost nové metody, kde u tří rezonancí lze rekonstruovat měřená data při dobách života 4, 11 a 40 fs.

[1] C. Fougères et al., “Search for ²²Na in novae supported by a novel method for measuring femtosecond nuclear lifetimes,” Nat Commun, vol. 14, no. 1, p. 4536, Sep. 2023, doi: 10.1038/s41467-023-40121-3.

Nově pozorované rozpady pomocí dvou protonů v nestabilním fluoru/Nové úzké rezonance v nestabilním fluoru ¹⁵F

Ve spolupráci s laboratoří GANIL/SPIRAL2 ve Franci byla studována nestabilní jádra ¹⁵F, která vznikala v reakci na terči z CH2 bombardováním urychlenými jádry radioaktivního ¹⁴O. Jádra ¹⁵F žijí typicky kolem jedné zeptosekundy, takže jejich vzbuzené stavy jsou stavy rezonančními a mají typicky vlasní šířku v řádu stovky keV. V experimentu byl pozorován stav 5/2^- se šířkou 3 keV a stav 3/2^- se šířkou 28 keV. Tyto úzké a tedy déle-žijící stavy jsou podle analýzy výsledkem toho, že se energeticky nacházejí v blízkosti kvantových systémů ¹³N(1/2^-)+2p a ¹⁴O(1^-)+1p, s jádry ¹³N a ¹⁴O v konfiguraci s negativní paritou. Tato blízkost má vliv na uvedené pozorované rezonanční stavy, konfigurace se promíchávají a částečně je blokován přirozený elastický kanál reakce ¹⁴O(0⁺)+p. Ve shodě s výpočty byl pozorován sekvenční rozpad těchto stavů pomocí dvou protonů, ovšem výpočty předpovídají existenci dalšího stavu s přímým dvouprotonovým rozpadem blízko nad pozorovanými stavy. Systematický výzkum takových stavů může přinést důležité poznatky pro astrofyzikální měření, neboť rychlosti řady astrofyzikálních reakcí jsou dedukovány pouze z reakcí na zrcadlových jádrech a podobná kolektivizace stavů může být významným faktorem.

Obr.: Diferenciální účinný průřez reakce H(¹⁴O, p)¹⁴O (červené tečky a modré čtverečky) a celkový průřez reakce H(¹⁴O,2p)¹³N (zelené kroužky), obě jako funkce rekonstruované rezonanční energie E_r v systému p+¹⁴O. Příspěvky 5/2⁻, 3/2⁻ stavů a rezonancí s vyšší energií jsou zobrazeny modře, červeně a zeleně. Proložení R-matice dvou reakčních kanálů je znázorněno černou čarou. Modrá přerušovaná čára odpovídá výsledku výpočtu pomocí slupkového modelu GSMCC.

[1] V. Girard-Alcindor et al., “New narrow resonances observed in the unbound nucleus ¹⁵F,” Phys. Rev. C, vol. 105, no. 5, p. L051301, May 2022, doi: 10.1103/PhysRevC.105.L051301.

Získání informací o neutronovém spektru u urychlovačového zdroje založeného na deuteronech a berylliu

Vývoj nového rychlého neutronového zdroje založeného na cyklotronu a beryliovém cíli je studován na NPI CAS. Zdroj D(10)+Be vygeneroval neutronové energie pro dva rozdíly (14 mm a 154 mm) a skupiny Au, Co, Ti, In, Al, Fe, Ni, Nb byly ozařovány. Neutronový tok dosáhl 1,4x1010 cm-2s-1 na 14 mm a 4,1x108 cm-2s-1 na 154 mm. Zdroj nabízí aktivační analýzu, ověřování přechodových sekcí neutronů, simulace experimentálních reaktorů a zkoušky zradikalizovanosti materiálu.

[1] M. Stefanik, E. Simeckova, P. Bem, J. Stursa, V. Zach, and J. Mrazek, “Neutron spectrum determination of accelerator-driven d(10)+Be neutron source using the multi-foil activation technique,” Radiation Physics and Chemistry, vol. 190, p. 109767, Jan. 2022, doi: 10.1016/j.radphyschem.2021.109767.

Výzkum nukleosyntézy v AGB hvězdách metodou trojského koně

• Spolupracující subjekt: INFN-LNS

Hvězdy AGB jsou klíčová astrofyzikální místa ovlivňující jadernou syntézu a chemické složení. K jaderné syntéze jsou potřebné výsledky experimentů, získané pomocí metody „Trojského koně“ a asymptotickou normalizační koeficient technikami nepřímo. Tato zpráva diskutuje experimentální postup a vyvozené rychlosti reakcí. Zároveň jsou zde uvedeny studie, které mají zájem o AGB jadernou syntézu.

Obr.: Poměr reakční rychlosti zjištěné v této práci k předchozím známým výsledkům. Zeleně je rozsah neurčitostí.

[1] M. L. Sergi et al., “Trojan Horse Investigation for AGB Stellar Nucleosynthesis,” Universe, vol. 8, no. 2, Art. no. 2, Feb. 2022, doi: 10.3390/universe8020128.

²⁶Si(p,γ)²⁷P protonový záchyt metodou ANC pro zrcadlová jádra

• Spolupracující subjekt: INFN-LNS

Radioaktivní izotop ²⁶Al je za pomoci družic pozorován podél roviny Mléčné dráhy. Jeho původ je v posledních 40ti letech silně diskutován. Tento izotop vzniká z části také ve formě izomeru ^26mAl, který je ovšem pro družice neviditelný. Na cyklotronu v ÚJF AVČR v Řeži jsme studovali reakci zachycení protonu v jádře ²⁶Si. Pokud totiž toto jádro nezachytí proton, přemění se na ^26mAl a ztratí se z pozorování. Naše informace přispívají ke zjištění skutečného množství ²⁶Al v galaxii.

[1] G. D’Agata et al., “²⁶Si(p, γ)²⁷P direct proton capture by means of the asymptotic normalization coefficients method for mirror nuclei,” Phys. Rev. C, vol. 103, no. 1, p. 015806, Jan. 2021, doi: 10.1103/PhysRevC.103.015806.

Deuteronem indukované reakce na přírodním Zr do 60 MeV

Budoucí energetická zařízení založená na fúzi nebo štěpení potřebují spolehlivá data o aktivaci konstrukčních a terčových materiálů. Reakce vyvolané deuterony je obtížné teoreticky popsat, protože jsou kombinací řady různých procesů. Experimentálně jsme studovali aktivaci zirkonu na deuteronovém svazku cyklotronu U120-M ÚJF Řež, získali jsme nová data a vyjasnili dříve nepřehlednou situaci v produkci izotopů Niobu. Všechna dostupná data byla zahrnuta do komplexní analýzy a konzistentně popsána kombinací konkurenčních mechanismů reakce (break-up, přímý proces, složené jádro, …).

Obr.: Energetická závislost aktivačního průřezu deuteronem indukovaných reakcí na Zr. Červené body - naše měření, plné čáry - naše výpočty.

[1] E. Šimečková et al., “Deuteron-induced reactions on ^natZr up to 60 MeV,” Phys. Rev. C, vol. 104, no. 4, p. 044615, Oct. 2021, doi: 10.1103/PhysRevC.104.044615.

Zkoumání jaderných sil limity stability: případy ¹⁶F a ¹⁵F

• Spolupracující subjekt: GANIL/SPIRAL2

Jádra, která jsou vzdálena od stability, nám poskytují příležitost abychom lépe porozuměli vlastnostem jaderné hmoty. Izotopy fluoru ¹⁵F a ¹⁶F (bohaté na protony) nejsou vázané, téměř okamžitě po vzniku se rozpadají. Několik experimentů využívajících metodu rezonančního elastického rozptylu bylo provedeno v laboratoři GANIL pomocí radioaktivních svazků. Cílem bylo zjištění vlastnosti nízko položených stavů těchto jader. Byla pozorována silná asymetrie mezi zrcadlovými páry ¹⁶F-¹⁶N a ¹⁵F-¹⁵C. Asymetrii ¹⁶N-¹⁶N lze vysvětlit rozdíly v distribuci nukleonů. Ne tak ve druhém případě. Tam jsme získali indicie, že asymetrie by mohla být známkou nového efektu - např. neobvyklé vyšší vzájemné vazby dvou protonů v jádře ¹⁵F.

Obr.: Excitační funkce reakce ¹⁵O(p,p’) (z naší předchozí práce). Jasně jsou viditelné tři stavy (tzv. rezonance) v jádře ¹⁶F. Plná čára je teoretický popis.

[1] V. Girard-Alcindor et al., “Probing nuclear forces beyond the nuclear drip line: the cases of ¹⁶F and ¹⁵F,” Eur. Phys. J. A, vol. 57, no. 3, p. 93, Mar. 2021, doi: 10.1140/epja/s10050-021-00410-1.

Astrofyzikální S-faktor reakce ³He(α, γ)⁷Be získaný metodou ANC

• Spolupracující subjekt: ATOMKI, INFN-LNS

Detekce neutrin produkovaných ve slunci reakcemi pp a CNO cyklů může pomoci testovat standardní solární modely. Reakce ³He(α,γ)⁷Be je první reakcí ve dvou větvích pp cyklu a její účinný průřez ovlivňuje předpovědi pro ⁷Be a ⁸B toky neutrin. Znalost účinného průřezu s lepší přesností je proto nezbytná. V práci byla studována tato reakce technikou asymptotických normalizačních koeficientů ANC a astrofyzikální S-faktor byl změřen s požadovanou přesností.

Obr.: Souhrn posledních výsledků pro S-faktor reakce ³He(α,γ)⁷Be. Červená značka je současné měření, centrální linie ukazuje doporučenou hodnotu s neurčitostí, vyjádřenou šedým polem.

[1] G. G. Kiss et al., “Astrophysical S-factor for the ³He(α,γ)⁷Be reaction via the asymptotic normalization coefficient (ANC) method,” Physics Letters B, vol. 807, p. 135606, Aug. 2020, doi: 10.1016/j.physletb.2020.135606.

Reakce deuteronů na manganu při nízkých energiích

• Spolupracující subjekt: IFIN/HH

Chybějící systematická data a komplexita interakcí deuteronu vyžadují společné úsilí experimentátorů a teoretiků při měřeních aktivačních průřezů. Reakce indukované neutrony a protony, které následují breakup musí být rovněž vzaty v potaz. Deuteronové aktivační průřezy ^54,56Mn a ⁵¹Cr na ⁵⁵Mn byly změřeny při energiích okolo 20 MeV. Ukazuje se, že největší diskrepance v současných doporučených hodnotách jsou způsobovány nesprávným započítáním přímých procesů.

Obr.: Předešlá a současná data (červené body) a výpočty příspěvků jednotlivých procesů. Různé komponenty (PE, CN, DR, BU) jsou na obrázku vyznačeny.

[1] M. Avrigeanu et al., “Deuteron-induced reactions on manganese at low energies,” Phys. Rev. C, vol. 101, no. 2, p. 024605, Feb. 2020, doi: 10.1103/PhysRevC.101.024605.

Nepřímá měření průřezu reakce ³He(n, p)³H při energiích Big Bang nucleosyntézy.

• Spolupracující subjekt: INFN-LNS

Jaderné reakce hrají klíčovou roli při nukleosyntéze po Velkém třesku. Síť 12 základních reakcí určuje hlavní cestu, kterou se ubírá nukleosyntéza prvků a izotopů v prvních 20ti minutách historie vesmíru. V posledních dekádách bylo věnováno velké úsilí lepšímu porozumění roli reakcí s neutrony v nukleosyntéze Velkého třesku. V této práci byly pomocí nepřímé metody Trojského koně extrahovány účinné průřezy pro reakci ³He(n,p)³H v oblasti astrofyzikálních energií.

Obr.: Účinný průřez binární reakce ³He(n,p)³H (černé body) po započtení penetračního faktoru a normalizovaný na přímá data. Body byly extrahovány metodou THM a na obrázku jsou uvedeny pouze chyby statistické a vzniklé při normalizaci.

[1] R. G. Pizzone et al., “Indirect measurement of the ³He (n,p) ³H reaction cross section at Big Bang energies,” Eur. Phys. J. A, vol. 56, no. 8, p. 199, Aug. 2020, doi: 10.1140/epja/s10050-020-00212-x.

Měření účinného průřezu kosmologicky relevantní reakce ⁷Be(n,)⁴He

Krátce po Velkém Třesku dochází k syntéze nejlehčích jader. Současné modely nedávají uspokojivé vysvětlení pro pozorované zastoupení ⁷Li ve vesmíru. Experimentální studium se zaměřilo na reakci destrukce ⁷Be, které jinak transmutuje na ⁷Li, neutrony. Použita byla nepřímá metoda trojského koně, kdy namísto neutronů byly jádra ⁷Be sráženy s jádry těžkého vodíku, které obsahuje požadovaný neutron. Byly upřesněny informace o účinném průřezu v kosmologických energií.

Obr.: Umístění soustavy detektorů ve vakuové komoře EXOTIC v INFN-LNS.

[1] L. Lamia et al., “Cross-section Measurement of the Cosmologically Relevant ⁷Be(n, α)⁴He Reaction over a Broad Energy Range in a Single Experiment,” ApJ, vol. 879, no. 1, p. 23, Jun. 2019, doi: 10.3847/1538-4357/ab2234.

Studium vlastností jádra 34Si z rozpadu milisekundových izotopů ³⁴Mg a ³⁴Al

U jader v okolí ³⁴Mg jsou narušena tradiční magická čísla – počty neutronů a protonů, které vykazují velkou míru stability izotopů. V regionu se objevují také neočekávané efekty současné existence více druhů deformací. Bylo významně rozšířena znalost schémata stavů ³⁴Si (o 11 hladin a 26 gama přechodů), pozorování byla srovnána s nejpokročilejšími modely a byly vyvozeny závěry s směšování deformací. Nebyly nalezeny argumenty pro předpovídanou triaxiální deformaci.

IFIN-HH, Bucharest, ISOLDE CERN Physical Review C 100, 034306 (2019), 10.1103/PhysRevC.100.034306

Obr.: Schéma vzbuzených stavů ³⁴Si obohacené o 11 nových hladin a 26 přechodů a srovnání s předpovědí modelu SDPF-U-MIX. Červeně jsou označeny stavy se zápornou paritou.

[1] IDS Collaboration et al., “Normal and intruder configurations in ³⁴Si populated in the β⁻ decay of ³⁴Mg and ³⁴Al,” Phys. Rev. C, vol. 100, no. 3, p. 034306, Sep. 2019, doi: 10.1103/PhysRevC.100.034306.

Určení astrofyzikálního S-faktoru pro přímý radiační záchyt ¹⁸O(p,)¹⁹F metodou ANC

• Spolupráce: TA&MU, INFN LNS

V červených obrech – hvězdách typu AGB – je syntetizován izotop ¹⁹F z izotopu ¹⁸O. Většina kyslíku ¹⁸O je zničena v reakci ¹⁸O(p, )¹⁵N, avšak proces ¹⁸O(p,)¹⁹F může hrát podstatnou roli v určité fázi evoluce hvězdy. Nepřímou metodou ANC jsme na cyklotronu v ÚJF AVČR určili účinné průřezy přímé složky tohoto radiačního záchytu a výsledky porovnali se dvěma vzájemně si protiřečícími měřeními.

European Physical Journal A 55, 114 (2019), 10.1140/epja/i2019-12801-8

Obr.: Úhlové rozdělení deuteronů na čtyřech stavech ¹⁹F z reakce ¹⁸O(³He,d)¹⁹F, která byla použita pro dovození účinného průřezu záchytu protonu na ¹⁸O.

[1] V. Burjan et al., “The determination of the astrophysical S-factor of the direct 18O(p,γ)¹⁹F capture by the ANC method,” Eur. Phys. J. A, vol. 55, no. 7, p. 114, Jul. 2019, doi: 10.1140/epja/i2019-12801-8.

Konzistentní popis reakcí deuteronu na přírodní směsi Cr do energie 60 MeV

• Spolupracující subjekt: IFIN HH, Rumunsko

Reakční databáze používané v průmyslu a aplikovaném výzkumu jsou založeny zejména na výpočtech rovnovážných a předrovnovážných procesů. Experimentálně pozorované diskrepance v měřeních v ÚJF AVČR v centru CANAM u izotopů chromu byly popsány přímými procesy jako je break-up a stripping. Bylo ukázáno, že tyto procesy hrají roli v celém oboru energií a reakce deuteronu s jádry v okolí Coulombovské bariéry probíhají do velké míry přímými procesy.

Obr.: Totální účinné průřezy (plnou čarou) jsou u jednotlivých izotopů souhrnem řady procesů, které lze rozdělit na rovnovážné procesy (PE, CN) a přímé procesy (DR, BU). U nízkých (Coulombických) energií jsou přímé procesy (DR) kruciální.

[1] E. Šimečková et al., “Consistent account of deuteron-induced reactions on ^natCr up to 60 MeV,” Phys. Rev. C, vol. 98, no. 3, p. 034606, Sep. 2018, doi: 10.1103/PhysRevC.98.034606.

Intenzity gama záření z rozpadu izomeru zlata ^196m2Au

Fólie zlata jsou používány pro svou čistotu jako monitorovací standard pro neutrony. Na generátorech rychlých neutronů v ÚJF AVČR v urychlovačovém centru CANAM byly ozařovány zlaté fólie. Vyprodukovány a měřeny byly izomery radioaktivního izotopu ¹⁹⁶Au a zpřesněna (faktorem několik) byla řada intenzit pozorovaných gama přechodů, což potenciálně znamená významnou redukci nejistot v budoucích měřeních a aplikacích s neutrony.

Obr.: Změřené gama spektrum aktivovaného zlata.

[1] M. Majerle et al., “The intensities of γ-rays from the decay of 196m2Au,” Applied Radiation and Isotopes, vol. 141, pp. 5–9, Nov. 2018, doi: 10.1016/j.apradiso.2018.07.026.

Studium elastického a neelastického rozptylu ³He na ⁹Be při energiích 30-60MeV

• Spolupracující subjekt: JINR Dubna

Jádro ⁹Be je příkladem tzv. Borromeanského systému, kdy je jádro tvořeno třemi částmi (2x alfa a jeden neutron). V ÚJF AVČR, centru urychlovačů CANAM, jsme měřili účinné průřezy rozptylu ³He na ⁹Be. Experimentální výsledky byly analyzovány v rámci optického modelu, Wood-Saxon a folding potenciály, a metodou vázaných kanálů. Analýza ukázala, že excitovaný stav (5/2^-) ⁹Be je silně deformovaný (beta=0.8).

Obr.: Popis experimentálních bodů úhlových rozdělení rozptylu pro stav 5/2^- 9Be pomocí Woods-Saxon (WS) a double folding (DF) potenciálů.

[1] D. M. Janseitov et al., “Investigation of the elastic and inelastic scattering of 3He from 9Be in the energy range 30–60MeV,” Int. J. Mod. Phys. E, vol. 27, no. 10, p. 1850089, Oct. 2018, doi: 10.1142/S0218301318500891.