Associazione Scienza e Scuola

Imbriani Gianluca

ARGOMENTI

Topic

Gli esseri umani sono connessi con lo spazio e il tempo, non solo grazie all’immaginazione, ma anche attraverso una comune eredità cosmica: gli elementi chimici che compongono il nostro corpo. Questi elementi sono stati creati nel corso di molti miliardi di anni dalle reazioni nucleari attive negli interni caldissimi di stelle molto distanti nello spazio e nel tempo. Quando finiscono il loro combustibile nucleare, le stelle muoiono dando origine a spettacolari esplosioni (supernovae), nelle quali disperdono nello spazio gli elementi chimici sintetizzati nei loro nuclei. Questo materiale si riunisce in nubi di gas, che lentamente collassano dando origine a nuove generazioni di stelle, producendo una evoluzione ciclica ancora attiva ai nostri giorni. Il ferro presente nel nostro sangue, l’ossigeno che respiriamo, il carbonio e l’azoto nei nostri tessuti e il calcio nelle nostra ossa si sono originati nel centro di una stella, nelle profondità della nostra Galassia, in un passato migliaia di volte più remoto dell’inizio dell’evoluzione umana. Per raggiungere una conoscenza approfondita della nostra eredità cosmica è necessario combinare la Fisica Nucleare, la Fisica dei plasmi e l’Astrofisica, formando ciò che è conosciuto come Astrofisica Nucleare. I processi nucleari sono la base di questo campo: essi influenzano la sintesi degli elementi e determinano l’evoluzione delle stelle. Lo scopo principale della ricerca in astrofisica nucleare è la misura di sezioni d’urto di reazioni nucleari di interesse astrofisico alle energie basse tipiche degli interni stellari. Tali esperimenti necessitano di una particolare cura, poiché l’informazione da identificare è spesso difficilmente distinguibile dal rumore di fondo. Infatti, l’energia di attivazione delle reazioni stellari Ë molto piccola, risultando dalla convoluzione tra la distribuzione di Boltzmann delle velocità relative dei reagenti e l'andamento della sezione d'urto, fortemente decrescente al diminuire dell'energia (la funzione risultante è quindi piccata su di un valore dell’energia detto picco di Gamow). Due sono i modi possibili per accedere all'informazione alle basse energie. In un numero limitato di casi, coinvolgenti essenzialmente nuclei molto leggeri, è possibile estendere le misure di sezioni d'urto fino all'energia del picco di Gamow: in tal caso i tassi di conteggio sono spesso proibitivamente bassi e la competizione con il fondo cosmico impedisce una estrazione del segnale. Nell'ambito di questa metodica si inserisce l'esperimento LUNA, che utilizza i laboratori del Gran Sasso dell'INFN, dove lo strato di 2000 m di roccia sovrastante le sale sperimentali garantisce un'adeguata schermatura dalla radiazione cosmica. Dal 2007 sono responsabile del gruppo di ricerca che partecipa a LUNA della sezione di Napoli dellíINFN. Nell’ambito della collaborazione LUNA ho partecipato alla misura e all’analisi dei dati della sezione d’urto delle reazioni 3He(3He,2p)4He, d(p,gamma)3He, 14N(p,gamma)15O, 3He(4He,gamma)7Be, 25Mg(p,gamma)26Al e 15N(p,gamma)16O a bassissime energie molto vicine al picco di Gamow. Sto ora partecipando alla misura della sezione d’urto delle reazioni 17O(p,gamma)18F e 18O(p,gamma)19F. Nella quasi totalità dei casi è, invece, necessario ricorrere ad estrapolazioni della sezione d'urto misurata in un intervallo energetico, che si estende fino ad energie più basse possibili compatibilmente con i tassi di conteggio osservabili, comunque lontane dal picco di Gamow. I limiti di questo metodo sono evidenti, soprattutto se sono presenti delle strutture risonanti nell’intorno dell’energia cui siamo interessati. Per aumentare la precisione delle misure e l’efficienza della rivelazione dei prodotti della reazione è possibile utilizzare il metodo basato sul separatore di ioni di rinculo. In particolare tale metodo consiste nel realizzare la reazione in cinematica inversa, cioè nel far incidere un fascio di ioni su un bersaglio gassoso di protoni (oppure di elio) e nel rivelare gli ioni prodotti in seguito alla cattura radiativa separati il meglio possibile dal fascio incidente. L’esperimento ERNA utilizza questo approccio per misurare le sezioni d’urto di interesse astrofisico. Ho partecipato all’esperimento ERNA sin dal suo inizio e per tutta la fase nella quale era situato presso il Dinamitron Tandem Laboratorium dellíUniversità di Bochum. Nell’ambito della collaborazione ERNA ho partecipato alla misura e all’analisi dei dati della sezione d’urto delle reazioni 12C(alpha,gamma)16O, 3He(4He,gamma)7Be. Il separatore di rinculi ERNA è stato trasferito presso il laboratorio CIRCE, sito a Caserta.

It is in the nature of astrophysics that many of the processes and objects one tries to understand are physically inaccessible. Thus, it is important that those aspects that can be studied in the laboratory are rather well understood. The theories of nucleosynthesis have identified the most important sites of element formation and also the diverse nuclear processes involved in their production. The detailed understanding of the origin of the chemical elements combines astrophysics and nuclear physics, and forms what is called nuclear astrophysics. Nuclear fusion reactions are at the heart of nuclear astrophysics: they influence sensitively the nucleosynthesis of the elements in the earliest stages of the universe and in all the objects formed thereafter, and control the associated energy generation, neutrino luminosity, and evolution of stars. A good knowledge of the rates of these reactions is thus essential for understanding the broad picture outlined above. The aim of experimental nuclear astrophysics is to measure the nuclear reaction rate at the relevant astrophysical energies, which are very low. Indeed, in a stellar environment the energy available to nuclear species is very much lower than the Coulomb barrier, i.e. nuclear reactions happen via tunnel effect. The main problem of direct measurements is determined by the background signals, which, together with the low cross sections, set a limit to the energy range that can be investigated with a simple setup on the Earth surface. Essentially there are three sources of background, i.e. cosmic rays; environmental radioactivity and beam-target induced nuclear reactions. Each of these sources produces background of different nature and energy, so that each reaction to be studied deserves a special care in suppressing the relevant background component. In the last years I contributed to develop two different approaches to solve the background problems. Background effects of cosmic rays in the detectors lead typically to more than 10 events per hour in common detectors. Conventional passive or active shielding around the detectors can only partially reduce the problem. The best solution is to install an accelerator facility in a laboratory deep underground, similar to the solar neutrino detectors, like the one that can be obtained at the INFN underground laboratory at Gran Sasso (LNGS). The LUNA (Laboratory Underground for Nuclear Astrophysics) experiment set up in the last decade a worldwide still unique facility for measuring low energy cross sections of astrophysical interest, installing two accelerators, respectively 50 and 400 kV, at LNGS. The second approach is based on quite complex apparatuses in order to optimize the detection efficiency, selectivity and the background suppression. An example of that is provided by Recoil Mass Separators, which allow measuring the cross section of radiative capture reactions by means of the detection of the residual nucleus, without the need of gamma measurements, which can be eventually performed in order to gain information on the transitions involved in the reaction. I participated to the construction of two recoil separators. The first was built in Naples, i.e. NaBoNA (Naples Bochum Nuclear Astrophysics) experiment, to study the 7Be(p,gamma)8B. A new separator has been designed and, firstly, installed at the Dymanitron Tandem Laboratorium of the Ruhr-Universitaet Bochum to study 12C(alpha,gamma)16O and 3He(4He,gamma)7Be reactions, ERNA experiment. This separator is now in Caserta at the CIRCE laboratory.

SUGGERIMENTI

1. Cauldron in the Cosmos: Nuclear Astrophysics, Rolfs and Rodney, 1988, The University of Chicago Press.
2. Nuclear Physics in Stars, Christiano Iliadis, Wiley-VCH Verlang
3. The Hot and Cold CNO Cycles, Wiescher M., Görres J., Uberseder E., Imbriani G., Pignatari M. ANNUAL REVIEW OF NUCLEAR AND PARTICLE SCIENCE, Volume: 60 Published: Nov. 2010
4. LUNA: a laboratory for underground nuclear astrophysics, Costantini, H.; Formicola, A.; Imbriani, G.; Junker, M.; Rolfs, C.; Strieder, F. Reports on Progress in Physics, Volume 72, Issue 8, pp. 086301 (2009).

PROFILO

Personal profile

Sin dall’inizio della mia attività di ricerca mi sono interessato sia di fisica nucleare sperimentale, sia di evoluzione stellare teorica, misurando, principalmente, sezioni d’urto di interesse astrofisico e valutandone l’impatto sull’evoluzione stellare. Ho svolto e svolgo l’attività di ricerca nell'ambito di collaborazioni nazionali (Seconda Università di Napoli, Laboratori Nazionali dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare del Gran Sasso e del Sud, Osservatorio Astronomico di Teramo e Osservatorio Astronomico di Roma dell’Istituto Nazionale di AstroFisica), e internazionali (Ruhr-Universität, Bochum, Germania, Università di Granada, Spagna e Notre Dame University, Notre Dame, IN, USA) con finanziamenti che provengono soprattutto dall'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). Nel corso della mia attività di ricerca sperimentale ho sviluppato una approfondita conoscenza degli acceleratori di particelle di bassa energia, che mi consente di utilizzare questo strumento oltre che per le mie ricerche nell’ambito dell’astrofisica nucleare anche per quelle in fisica nucleare applicata. Infatti, per lo studio sperimentale di reazioni nucleari di bassa energia è necessario conoscere i processi di interazione tra ioni e materia, che sono alla base delle tecniche sperimentali necessarie per gli studi di fisica nucleare applicata. Nell’ambito della ricerca di Astrofisica Nucleare ho collaborato e collaboro agli esperimenti NABONA, LUNA e ERNA, che sono finanziati dall’INFN e da altri enti di ricerca internazionali, quali DFG (Società Tedesca della Ricerca), BMBF (Ministero Federale della Ricerca Tedesco) e Nuclear Science Foundation (USA). Collaboro, inoltre, alle attività di ricerca che si svolgono presso il laboratorio Centro di Ricerche Isotopiche per i Beni Culturali e Ambientali (CIRCE) del Centro di Competenza INNOVA e presso l’Institute for Structure and Nuclear AstroPhysics (ISNAP) dell’Università di Notre Dame, USA. Sono Principal Invistigator del progetto Nucloesynthesis in AGB stars: 19F production finanziato dal MIUR con 592 kEuro nell’ambito del progetto FIRB Futuro in Ricerca. Il progetto si compone di due unità di ricerca, una sperimentale a Napoli e una concentrata sull’evoluzione stellare presso l’osservatorio di Teramo dell’INAF. Ho, infatti, proposto di misurare alcune sezione d’urto che influenzano la produzione di fluoro in stelle tipo AGB e valutando l’effetto di questi cambiamenti utilizzando il codice di evoluzione stellare FRANEC. Nel 2007 mi è stata offerta una posizione di Assistant Professor alla Notre Dame University, IN, USA, pur non essendo stata attivata a causa dei miei impegni istituzionali di ricercatore di ruolo presso l’Università Federico II di Napoli, ha consentito e tuttora consente una fruttuosa collaborazione scientifica. Infatti a tutt’oggi collaboro con la Notre Dame University in qualità di visiting faculty, trascorrendovi periodicamente brevi periodi per partecipare a progetti di ricerca comuni e correlare tesi di dottorato. Le principali attività, che ho svolto, hanno avuto come oggetto la misura della sezione d’urto delle reazioni 15N(p,)16O, 14N(p,)15O e 17O(p,)18F.

Since the beginning of my research activity I have been involved both in experimental nuclear physics and theoretical stellar evolution, measuring nuclear cross sections of astrophysical interest and studying their influence on stellar astrophysics. I carry out my research activity in the framework of national (Second University of Naples, National Laboratories of Gran Sasso and South of INFN, Teramo Astronomical Observatory and Rome Astronomical Observatory) and international (Ruhr-Universit‰t, Bochum, Germania, University of Granada, Spain, Notre Dame University Notre Dame, IN, USA and Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA) collaborations. As far as my experimental activities are concerned I participated to the measurement of some nuclear reaction processes of astrophysical interest mainly in the framework of three experiments funded by Italian Institute of Nuclear Physics (INFN): NABONA (NApoli BOchum Nuclear Astrophysics), LUNA (Laboratory Underground for Nuclear Astrophysics) and ERNA (European Recoil Separator for Nuclear Astrophysics). For the theoretical activity I have studied the evolution of stars by means of the FRANEC stellar evolution code, focusing on the influence of nuclear reaction rate uncertainties on the evolution of stars. During these activities I collaborated with the stellar evolution groups of the Teramo and Rome Astronomical Observatories. I coordinated the Italian side of the grants obtained in the framework of the international agreement between INFN and MEC (Education and Science Ministry of Spain) in 2005 and 2009. The aim of these grants are to establish a collaboration with the astrophysical group of the university of Granada to identify, which nuclear processes need to be better investigate and the astrophysical impact of the new experimental results. In 2007 I have been considered for a tenure for the experimental nuclear chair at the University of Notre Dame, IN, USA. In spite of the fact that I could not accept the offer, because of my permant position as researcher for the University of Naples "Federico II", I started a fruitfull collaboration, which is still running. In fact, I collaborate with Nuclear Structure Laboratory of University of Notre Dame as visiting faculty, partecipating to experiments and following as co-supervisor the PhD works of PJ Le Blanc and Qian Li. The subjects of this collaboration has been the study of the 15N(p,gamma)16O, 15N(p,p)15N, 15N(p,alpha gamma)12C 14N(p,gamma)15O e 17O(p,gamma)18F processes. Since 2007 I am the responsible of LUNA activities for the group of Naples. I am the Principal Investigator for the project: Nucloesynthesis in AGB stars: 19F production, financed with 592 kEuro in the framework of FIRB Futuro in Ricerca. The prject has two units, one belong to the Physics department of Naples University the other is at Astronomical Observatory of Teramo. I planed to measure two reaction rates involved in the F production, namely 14,15N(alpha,gamma)18,19F. Moreover we will evaluate the effect of these new measurements in the AGB evolution.