Spectroscopic Study of 39Ca for Classical Nova Endpoint 

Nucleosynthesis

Johnson Liang

McMaster University

Overview

● General goals● Astrophysics background+motivation● Experimental setup● Data analysis● Preliminary results

General goal 

● Correctly model and understand the nucleosynthesis in a classical nova

● Predict the abundances of elements produced in a classical nova and match it to observations

Classical Nova

● White dwarf (WD) in binary with hydrogen rich star

● WD siphons material from companion star

Classical Nova

● White dwarf (WD) in binary with hydrogen rich star

● WD siphons material from companion star

● Layer of nuclear fuel forms on surface

● Degenerate material cannot expand – thermonuclear runaway ensues

Classical Nova Nucleosynthesis

● Nucleosynthesis pathway, endpoint A~40

Denissenkov et. al., MNRAS 442 3, 2014

Understanding Classical Novae

● Discrepancy between predicted abundances and observed abundances of ejecta

Important Nuclear Inputs

● [1] Iliadis et. al, Astrophys. J. Suppl. Ser. 142 (2002) 105.

● Nuclear reaction rates play a large role in abundances of ejecta

● Sensitivity study [1] shows that varying 38K(p,g)39Ca reaction rate by it’s uncertainty (factor of 100 up, 100 down) changes abundances of:

– 38Ar by a factor of 25– 39K by a factor of 136– 40Ca by a factor of 58

Understanding Classical Novae

● Discrepancy between predicted abundances and observed abundances of ejecta

● Need better nuclear reaction parameters: Reaction cross section/rate

+

38K(p,g)39Ca reaction rate

Proton          38K                                       39Ca

● Dependent on resonant reactions in the Gamow window

● Need energy levels of 39Ca

+

38K(p,g)39Ca reaction rate

Proton          38K                                      39Ca

39Ca Energy Levels

39Ca

+

38K(p,g)39Ca reaction rate

Proton          38K                                       39Ca

   1/2+                         3+   

● L = 0 transfer reactions are strongest 

39Ca Energy Levels

39Ca

Most Recent Direct Measurement

● 38K(p,g)39Ca measured using DRAGON at TRIUMF [2]

● Measured resonance strengths of important resonances in 39Ca (in keV):

– 6157(10)– 6286(10)– 6451(2) 

● [2] Lotay et al. Phys. Rev. Lett. 116 (2016) 132701

Most Recent Direct Measurement

● Measured using DRAGON at TRIUMF [2]● Measured resonance strengths of important 

resonances in 39Ca (in keV):

– 6157(10)– 6286(10)– 6451(2) 

● Able to measure the resonance strength in the 6451(2) state and obtain upper limits of others. 

● Reduced uncertainty in rate of 38K(p,g)39Ca● [2] Lotay et al. Phys. Rev. Lett. 116 (2016) 132701

Understanding Classical Novae

● Discrepancy between predicted abundances and observed abundances of ejecta

● To measure reaction rate, need precise resonance energies of 39Ca

● Need better nuclear reaction parameters: Reaction cross section/rate

Experiment : 40Ca (d,t) 39Ca

● Goal: Measure resonances using the 40Ca(d,t)39Ca reaction

● Beam energy: 22 MeV

Experiment : 40Ca (d,t) 39Ca

● Goal: Measure resonances using the 40Ca(d,t)39Ca reaction

● Beam energy: 22 MeV● 2 Targets used:

– CaF2  production target

● 30 μg/cm2 CaF2 on 10 μg/cm2 enriched 12C foil

– 32S calibration target● 11.7 μg/cm2 32S implanted in 40 μg/cm2 enriched

12C foil

● Experiment was done at the MaierLeibnitz Laboratory (MLL) in Munich, Germany 

● 14 MV MPTandem and Quadrupole 3x Dipole Magnetic Spectrograph (Q3D)

Figure: MP Tandem in Munich (source: http://www.pro-physik.de/Phy/Images/News/ TUM_Tandem_350.jpg)

Q3D Setup

Quadrupole Magnet

Focuses in the verticalDefocuses in the horizontal

Q3D Setup

Dipole Magnets

*Separates reaction products by momentum to charge ratio on the focal plane

Q3D Setup

Focal Plane

● Problem: How do we separate different species of particles?

Detectors

Direction of Recoils

Direction of Recoils

Detectors

Direction of Recoils

Detectors

Particle Identification

● Plot energy losses: E (xaxis) , ΔE (yaxis).

Particle Identification

● Select particles of interest (tritons)

Position Spectrum

● Cathode strip detector● 255 strips, each 3.5 mm wide

(Preliminary) Position Spectrum

● Plot position (energy) vs. Counts   

Excitation Energy in 39Ca

32S Target Calibration Spectrum

● 31S position spectrum

● Focal plane simulation

● Convert Position axis to energy of residual nucleus 

● Plot position (energy) vs. Counts   

6161 keV6475 keV

6299 keV

(Preliminary) Position Spectrum

Excitation Energy in 39Ca

Comparison with Previous values

EX 15 degrees

(keV)

EX 20 degrees

(keV)

EX 25 degrees

(keV)

EX 30 degrees

(keV)

EX NNDC (keV)

6471(5) 6475(2) 6474(2) 6475(3) 6451(2)

6302(1) 6299(1) 6302(2) 6286(10)6162(2) 6161.3(7) 6162(3) 6159.5(6) 6157(10)

● Statistical error only● Preliminary*

Summary

● Nuclear reaction rates are important in modeling classical novae

● Nuclear reaction rates depend on resonance energies within the Gamow window

● Methodology of instruments at the MLL Q3D● 40Ca(d,t)39Ca preliminary results look to be self 

consistent

Acknowledgments

McMaster University

A. Chen, J. Liang, A. Psaltis

NSCL/MSU Department of Physics and Astronomy

C. Fry, P. Tiwari, C. Wrede

Technical University of Munich

M. Anger, S. Bishop, T. Faestermann, D. Seiler

LudwigMaximiliansUniversität München

R. Hertenberger, H. Wirth

Fitting

Fitting

Fitting

Experiment : 40Ca (d,t) 39Ca

● Goal: Measure resonances using the 40Ca(d,t)39Ca reaction

● Choice of beam energy: 22 MeV

– QValue to GS: 9.386 MeV (Endothermic)– Energy state desired: 6.4 MeV– Coulomb barrier: 4.4 MeV– Total: 20.686 MeV

Slide 1Slide 2Slide 3Slide 4Slide 5Slide 6Slide 7Slide 8Slide 9Slide 10Slide 11Slide 12Slide 13Slide 14Slide 15Slide 16Slide 17Slide 18Slide 19Slide 20Slide 21Slide 22Slide 23Slide 24Slide 25Slide 26Slide 27Slide 28Slide 29Slide 30Slide 31Slide 32Slide 33Slide 34Slide 35Slide 36Slide 37Slide 38Slide 39Slide 40