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Publicação
Precision mass dependence studies of α-nuclear potentials: elastic α-scattering on 116,118Sn
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
A nucleossíntese dos elementos em ambientes estelares é explicada por diferentes processos, dependendo das condições e características do ambiente. A formação de elementos mais leves que o ferro
ocorre principalmente por reações de fusão entre partículas carregadas, as quais conseguem ultrapassar a
barreira eletromagnética repulsiva entre elas. No entanto, para elementos mais pesados, a fusão deixa de
ser energeticamente favorável, e outros processos como a captura de neutrões permitem a formação de
elementos mais pesados. Existe ainda um conjunto de 35 nuclídeos, mais pesados que o ferro, que não
podem ser produzidos com reações (n,g), e portanto precisam de um processo de síntese estelar próprio.
O chamado processo p é caracterizado por ambientes explosivos envolvendo reações com partículas α e
fotodesintegrações em núcleos estáveis e radioativos.
A falta de dados experimentais associada ao processo p tem impulsionado o estudo de propriedades
nucleares em diferentes isótopos sintetizados por este e por outros processos. Este projeto tem como
objetivo determinar a secção eficaz diferencial de dispersão elástica das reações 116Sn(α,α)
116Sn e
118Sn(α,α)
118Sn. O estudo da secção eficaz destes dois isótopos, em energias de interesse astrofísico
(acima e abaixo do valor da barreira de Coulomb), é crucial para melhor compreender a interação entre
elementos pesados e partículas alfa. Na dispersão elástica, os produtos finais da interação são os mesmos
que os iniciais e a energia é conservada durante todo o processo. Analisar estas reações a diferentes energias permitirá compreender melhor as dinâmicas envolvidas e fornecer dados fundamentais para modelar
processos nucleares em ambientes astrofísicos, em particular o processo p. O modelo desenvolvido com
o objetivo de descrever o processo de interação elástica é conhecido como Modelo do Potencial Ótico.
A experiência foi realizada no laboratório ATOMKI, em Debrecen, Hungria. O ciclotrão deste
laboratório foi usado para acelerar as partículas α até um máximo de energia de 20 MeV. Posteriormente, estas partículas foram direcionadas para uma camâra de vácuo, onde interagiam com o alvo colocado no centro dessa câmara. As duas reações mencionadas acima foram estudadas para três energias:
16.12 MeV, 17 MeV e 19.5 MeV. As partículas α dispersas em cada alvo foram medidas por detetores
de silício de barreira de superfície, cobrindo estes uma distribuição angular entre 20◦
e 165◦
. No total
foram medidas seis distribuições angulares. Durante a experiência foram utilizados oito detetores. Seis
detetores estavam posicionados em mesas giratórias, dos quais dois pertenciam à mesa de cima e quatro
na mesa de baixo, no lado oposto. Dois detetores estavam fixos de cada lado do feixe a 15◦
em relação
a este. Estes detetores servem para monitorizar a posição do feixe em relação ao centro do alvo durante
toda a experiência.
Os alvos enriquecidos 116Sn e 118Sn foram produzidos usando a evaporadora do Laboratório de
Desenvolvimento de Alvos (TDL), na Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (FCUL). Com
a evaporadora é possível realizar o processo de evaporação térmica, onde podemos evaporar o material
contido num suporte preso por elétrodos através do Efeito de Joule. Variáveis como temperatura e pressão
são controladas durante a evaporação. Para realizar a experiência é necessário a utilização de filmes
finos. Filmes finos evitam que as partículas α percam muita energia ao passar pelo filme, evitando o comprometimento da resolução em energia.
A caracterização dos alvos 116Sn e 118Sn foi feita usando duas técnicas diferentes: perda de energia
por partículas alfa (AEL) e espectroscopia de dispersão de Rutherford (RBS). O primeiro método foi
realizado na FCUL, onde temos uma câmara de vácuo e um detetor de silício. Simulações usando o
código AlfaMC foram feitas para confirmar a espessura de todos os filmes. Um segundo método foi
realizado, RBS, para confirmar as espessuras obtidas com AEL. Esta medição foi feita com o Van de
Graaff localizado no Campus Tecnológico e Nuclear do Instituto Superior Técnico. Foi realizado também
um scan superficial dos dois alvos na área central para inferir informação sobre a homogeneidade e pureza
de ambos. De forma a estimar a espessura dos alvos o programa SimNRA foi usado. A caracterização
dos alvos é crucial para garantir a confiabilidade dos dados experimentais. Com o último método obteuse um valor de cerca de 300 µg/cm2 de espessura para ambos os alvos produzidos.
O valor da secção eficaz de dispersão elástica para toda a distribuição angular foi extraído através de
vários parâmetros, entre os quais o número de partículas dispersas em cada ângulo. Com estes dados, é
possível calcular a curva da secção eficaz diferencial normalizada à de Rutherford para ângulos no referencial do centro de massa. Nesta etapa é necessário compreender o conceito de dispersão de Rutherford,
que se caracteriza por ser uma interação predominantemente eletrostática. A probabilidade de uma interação ser puramente coulombiana depende da energia das partículas incidentes no alvo e do parâmetro
de impacto. No entanto, para a faixa de valores de energia utilizados nesta experiência podemos assumir
que para ângulos muito pequenos a dispersão está no regime de Rutherford.
A obtenção da curva da secção eficaz diferencial normalizada à de Rutherford foi um processo complexo, envolvendo a análise de milhares de espetros de forma a extrair as contagens das partículas alfas
dispersas elasticamente. Para obter resultados confiáveis foi necessário aplicar diferentes correções à
secção eficaz diferencial, entre os quais à posição angular dos detetores e à posição do feixe no alvo.
Idealmente o feixe está centrado em relação ao alvo, contudo desvios durante a experiência podem ocorrer e têm de ser contabilizados. Estes desvios afetam o ângulo de dispersão medido.
A calibração dos detetores em energia foi feita utilizando uma fonte alfa de 241Am, utilizando apenas o pico mais energético. Para determinar com precisão a posição angular dos detetores, medições
em coinciência foram feitas com um alvo fino de carbono, produzido pela equipa do ATOMKI, e com
partículas α de energia de 17 MeV. Sabendo a cinemática da reação fixamos um braço de detetores numa
posição para detetar partículas α e o outro será rodado em torno do ângulo teórico correspondente de
saída do núcleo do recúo. Medições foram feitas para cada par de detetores, assegurando consistência
entre o posicionamento angular de todos os detetores.
Os resultados servirão para compreender como a curva da secção eficaz é realmente afetada de acordo
com o valor de energia do feixe de partículas α e ângulo de dispersão, o que mostrará a influência de
forças nucleares e eletrostáticas na interação entre projétil e alvo.
As curvas experimentais de ambos os isótopos serão comparadas com curvas teóricas geradas a partir
de diferentes potenciais óticos globais para partículas α, utilizando o código Talys: Watanabe+KoningDelaroche, McFadden e Satchler, Demetriou et al. e Avrigeanu et al.. A comparação entre os resultados
teóricos e experimentais permitirá a extração de algumas conclusões, incluindo o cálculo do valor de
χ
2
red, que quantifica o desvio entre as curvas teóricas e a experimental.
Em experiências passadas foram medidos outros isótopos do estanho, nomeadamente o 112Sn e 124Sn.
Com os dados destes dois isótopos, juntamente com os dados retirados desta experiência, foi possível
estudar e fazer uma medida comparativa de como a massa do núcleo influencia o valor final da secção
eficaz diferencial normalizada à de Rutherford. A medição da secção eficaz diferencial para o isótopo
118Sn para uma energia de 17 MeV foi anteriormente medida por Palumbo et al. em 2012. Os dados serão comparados com os resultados deste projeto.
This project aims at determining, for the first time, the elastic scattering cross section of the reaction 116Sn(α,α) 116Sn and to benchmark the results for the 118Sn(α,α) 118Sn reaction presented in Palumbo et al. in 2012. Studying these reactions on these two isotopes, at energies of astrophysical interest, is crucial to better understand the interaction between heavy elements and α particles. Analyzing these reactions at different energies will allow us to better understand the dynamics involved and provide fundamental data for modeling nuclear processes in astrophysical environments. Enriched 116Sn and 118Sn targets were produced using the evaporator at the LIP’s Target Design Laboratory, at FCUL, which allow us to perform thermal evaporation through Joule effect. The production of thin and homogeneous targets is essential for achieving good energy resolution in experimental measurements. They were characterized with two methods, Alpha Energy Loss and Rutherford Backscattering Spectrometry, providing a final value of thickness for both targets of around 300 µg/cm2 . The experiment was carried out in ATOMKI laboratory, Debrecen, Hungary. With a cyclotron α particles can be accelerated up to an energy of 20 MeV. The α particles interact with the target produced inside a scattering chamber, resulting in scattered particles covering an angular distribution between 20◦ and 165◦ . These particles were measured using silicon barrier detectors. Two monitor detectors, positioned at 15◦ on the beam’s exit side, were used to monitor the beam and verify the target stability. Energy and angular calibrations were part of the preliminary phase of the analysis. Furthermore, a correction to the beam position on the target throughout the experiment is required to enable precise determination of the reaction cross section for the two targets.
This project aims at determining, for the first time, the elastic scattering cross section of the reaction 116Sn(α,α) 116Sn and to benchmark the results for the 118Sn(α,α) 118Sn reaction presented in Palumbo et al. in 2012. Studying these reactions on these two isotopes, at energies of astrophysical interest, is crucial to better understand the interaction between heavy elements and α particles. Analyzing these reactions at different energies will allow us to better understand the dynamics involved and provide fundamental data for modeling nuclear processes in astrophysical environments. Enriched 116Sn and 118Sn targets were produced using the evaporator at the LIP’s Target Design Laboratory, at FCUL, which allow us to perform thermal evaporation through Joule effect. The production of thin and homogeneous targets is essential for achieving good energy resolution in experimental measurements. They were characterized with two methods, Alpha Energy Loss and Rutherford Backscattering Spectrometry, providing a final value of thickness for both targets of around 300 µg/cm2 . The experiment was carried out in ATOMKI laboratory, Debrecen, Hungary. With a cyclotron α particles can be accelerated up to an energy of 20 MeV. The α particles interact with the target produced inside a scattering chamber, resulting in scattered particles covering an angular distribution between 20◦ and 165◦ . These particles were measured using silicon barrier detectors. Two monitor detectors, positioned at 15◦ on the beam’s exit side, were used to monitor the beam and verify the target stability. Energy and angular calibrations were part of the preliminary phase of the analysis. Furthermore, a correction to the beam position on the target throughout the experiment is required to enable precise determination of the reaction cross section for the two targets.
Descrição
Tese de Mestrado, Engenharia Física, 2025, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Dispersão elástica Secção eficaz Dispersão de Rutherford Potenciais alfas nucleares Alvos de reação Teses de mestrado - 2025