Angelo Pagano INFN - Sezione di Catania

Dipartimento di Fisica - Astronomia dell’Università di Catania

Studi di multiframmentazione e dinamica nucleare con l'apparato CHIMERA presso i LNS

U.Amaldi, conoscere Fermi – nel centenario della nascita 29 settembre 1901-2001

il gruppo CHIMERA è impegnato in un grande sforzo di studio: -asimmetria I=(N-Z)/A : -EOS (I,) -effetti di struttura nucleare nelle oscillazioni in N/Z osservato nei cluster (staggering,….) -Dipendenza di Sezioni d’urto di produzione di cluster da I -scala temporale:pre-equilibrio, -dipendenza di reazioni di fusione da I -Dipendenza della fissione da I -reazioni con ioni medio-leggeri (esotici)

CHIMERA: E/A < .1 AGeV (LNS) E /A 1.A GeV(GSI)

Costruttori di Ponti

H.I. E/A < 1GeV Unica opportunità

Bao-An Li, NPA 708 (2002)

La posizione di questa fisica nel diagramma di fase T,

I FASCI

I BERSAGLI

Granularity 1192 telescopes

Si (300m) +CsI(Tl)

Geometry RINGS: 688 telescopes 100-350 cm

SPHERE: 504 telescopes 40 cm

Angular range RINGS: 1°< < 30°

SPHERE: 30°< < 176° 94% of 4

Identification

method

E-E

E-TOF

PSD in CsI(Tl)

PSD in Si (upgrade 2008)

Experimental

observables

and

performances

TOF dt 1 ns

dE/E LCP (Light Charge Particles) 2%

dE/E HI (Heavy Ions) 1%

Energy, Velocity, A, Z, angular distributions

Detection

threshold

1 MeV/A for H.I.

2 MeV/A for LCP

Si

CsI(Tl)

CHIMERA : IL RIVELATORECHIMERA : IL RIVELATORE

ChargeCharge HeavyHeavy IonIon Mass and Energy Mass and Energy ResolvingResolving ArrayArray

1°

30° T

• Il programma di ricerca è stato realizzato con l'adesione di una vasta collaborazione internazionale che coinvolge scienziati provenienti da Italia, Europa, Cina, India, e Stati Uniti.

Lanzhou

MSU

CHIMERA

Kolkata

Rochester

FISICA:

Processi di multiframmentazione statistica e dinamica con particolare attenzione al grado di libertà dell’ISOSPIN sono stati studiati utilizzando una vasta gamma di combinazioni proiettile-bersaglio ad energie di Fermi (LNS). Particolare attenzione è stata dedicata alla scala temporale della dinamica di una reazione e allo studio delle correlazioni particella-particella

• The Scientific Program will be structured around the following topics:

• Heavy and Superheavy Elements • QCD and Hadron Physics • Relativistic Heavy-Ion Collisions • Nuclear Structure • Nuclear Energy and Applications of Nuclear Science and

Technologies • Fusion and Fission • Equation of State of Neutron-Rich Nuclear Matter, Clusters in

Nuclei and Nuclear Reactions • Reactions and Structure- Unstable Nuclei • Nuclear Astrophysics (OPEN possibility) • New Facilities and Detectors

AMPIO RISCONTRO in un TIPICO PROGRAMMA di congresso generale FISICA NUCLEARE: (vedi RECENTE NN2012)

• Approccio al problema sperimentale: Continua interazione con le problematiche di simulazione del meccanismo di reazione con calcoli ‘’ab-initio’’, fornendo vincoli stringenti ai modelli dinamici(teoria del trasporto) più moderni che consentono di legare la fenomenologia osservativa agli ingredienti fondamentali dell’interazione efficace in materia nucleare. (SBNV , CoEMD)

L.Francalanza et. al Sif(2011)

M1

M4

A

• Comunicazioni-SIF2012/Napoli: Influenza dell'arricchimento neutronico su formazione e decadimento del sistema composto nelle reazioni 78 Kr+ 40 Ca and 86 Kr+ 48 Ca a 10 AMeV. Pirrone S., Politi G., La Commara M., Wieleczko J.P., Ademard G., De Filippo E., Vigilante M., Amorini F., Auditore L., Beck C., Berceanu I., Bonnet E., Borderie B., Cardella G., Chbihi A., Colonna M., D'Onofrio A., Frankland J.D., Geraci E., Henry E., La Guidara E., Lanzalone G., Lautesse P., Lebhertz D., Le Neindre N., Lombardo I., Loria D., Mazurek K., Pagano A., Papa M., Piasecki E., Porto F., Quinlann M., Rizzo F., Rosato E., Russotto P., Schroeder W.U., Spadaccini G., Trifirò A., Toke J., Trimarchi M., Verde G.

• Reazioni di trasferimento di neutroni indotte da fasci esotici ai LNS. Acosta L., Agodi C., Amorini F., Anzalone A., Auditore L., Cardella G., De Filippo E., Francalanza L., Gian`i R., Grassi L., La Guidara E., Lanzalone G., Lombardo I., Loria D., Minniti T., Pagano A., Pagano E.V., M. Papa, S. Pirrone, G. Politi, F. Porto, F. Rizzo, E. Rosato, P. Russotto, S. Santoro, A. Trifirò, M. Trimachi, G. Verde, M. Vigilante

• Stato dell'arte del progetto FARCOS. Acosta L., Pagano E.V., Minniti T. ,Verde G., Amorini F., Anzalone A., Auditore L., Cardella G., De Filippo E., Francalanza L., Geraci E., Gian`i S. , Guazzoni C., La Guidara E., Lanzalone G., Lombardo I., Loria D., Pagano A., Papa M., Pirrone S., Politi G., Porto F., Quattrocchi L., Rizzo F., Russotto P., Santoro S., Trifirò A., Trimachi M., Vigilante M.

• Accesso a sorgenti di emissione particella-particella ad energie intermedie. Acosta L., Pagano E.V., Minniti T., Verde G., Amorini F., Anzalone A., Auditore L., Cardella G., De Filippo E., Francalanza L., Geraci E., Gian`i S., Guazzoni C., La Guidara E., Lanzalone G., Lombardo I., Loria D., Pagano A., Papa M., Pirrone S., Politi G., Porto F., Quattrocchi L., Rizzo F., Russotto P., Santoro S., Trifirò A., Trimachi M., Vigilante M.

• Studio dell'energia di simmetria ad alta densità: l'esperimento ASY-EOS al GSI. Russotto P. per la Collaborazione ASY-EOS

• Alcuni tra gli ultimi articoli:

• G. Casini, et al. Persistence of odd-even staggering in charged-fragment yields from Sn-112+Ni-58 collisions at 35 MeV/nucleon, PHYSICAL REVIEW C Vol. 86, (2012)

• E. De Filippo, et al. Correlations between emission timescale of fragments and isospin dynamics in Sn-124+Ni-64 and Sn-112+Ni-58 reactions at 35A MeV PHYSICAL REVIEW C Vol.86 , (2012)

• A. Pagano, ‘’Studies of Nuclear Reactions and Time Scale with the 4π Detector CHIMERA’’, Nuclear Physics News, 22:1, 25-30 (2012)

• G. Cardella, et al Effects of neutron richness on the behavior of nuclear systems at intermediate energies, PHYSICAL REVIEW C Vol.85 (2012)

• A.Raduta, et al. Evidence for alpha-particle condensation in nuclei from the Hoyle state deexcitation, PHYSICS LETTERS B Vol.705 (2011)

• I. Lombardo, I et al. Isospin Aspects in Nuclear Reactions Involving Ca Beams at 25 MeV/nucleon,PHYSICS OF ATOMIC NUCLEI Vol.74 (2011), 1562-1566

• I. Lombardo, et al. Even-odd effects in Z and N distributions of fragments emitted at intermediate energies, PHYSICAL REVIEW C 024613 Vol.84 (2011)

• P. Russotto, P. et al. ‘’Symmetry energy from elliptic flow in Au-197+Au-197, PHYSICS LETTERS B Vol.697 , 471-476 (2011)

….......................................................

• + numerosi contributi a conferenza (2011-2012) e circa 10 relazioni su invito

• Vedi ad es. Recente NN2012

• Attività intensa in Organizzazione di conferenze internazionali (IWM,ASY-EOS,ANSIP,……..)

Bethe – Weizsaecker ----mass formula (1935/6):

B (N,Z) = aVA - aSA2/3 – aCZ (Z - 1)/A1/3 - asym(N - Z)2/A + d (A)

FISICA DELL’ISOSPIN: ESEMPIO 1: il termine di asimmetria

IL PRIMO PONTE VERSO L’INTERAZIONE EFFICACE

A(amu)

K 220MeV

0 1

2( , ) ( , 0) ( )symE E E d d d

Density dependence of the symmetry energy

n p

n p

N Z

A

d

δ is the isospin

asymmetry in

term of

neutrons and

protons density HIC at Fermi energy

Isospin Transport properties,

multifragmentation,diffusion,

fractionation, migration

Z. Xiao, Bao-An Li et al., PRL 102, 062502 (2009)

soft

stiff

Relativistic HIC

supersaturation

density: neutron

stars, supernovae,

etc

Nuclear structure,

Pygmy resonance,

…

Density ρ<ρ0 (sub-saturation, ρ0=0.17 fm-3)

Density ρ>ρ0

(supra-

saturation)

SMF

16

Stochastic Mean Field (SMF) + GEMINI calculation

Primary fragments

124Sn+64Ni 35 A.MeV

Asy-stiff

Asy-soft

DE

SE

Dynamically emitted particles

Statistically emitted particles

Phys. Rev. C 86 014610 (2012)

M.B. Tsang et al, Phys. Rev. C86, 015893 (2012) M.B. Tsang et al, Phys. Rev. C86, 015893 (2012) M.B. Tsang et al, Phys. Rev. C86, 015893 (2012)

Constraining the symmetry energy around and below normal nuclear density

2( , ) ( , 0) ( )sym

n p

E E E d d d

d

isospin asymmetry

0

( )3

symdEL

d

Slope Slope

S = E (ρ ) S0 = Esym(ρ0)

MSU-Chimera data: Z.Y. Sun et al. PRC 82 051603(R) 2010

Texas A&M data, Z. Kohley et al., PRC 83, 044601 (2011)

HIC

Strenght Strenght

IAS = Isobaric Analog States (Danielewicz/Lee)PDR(Klimkiewicz et al.)FRDMModel (Moller et al.)

IAS = Isobaric Analog States (Danielewicz/Lee) PDR = Pygmy dipole resonance (Klimkiewicz et al.) FRDM = Finite Range Droplet Model (Moller et al.)

Isospin diffusion, n/p ratios

2

0 00

0 0

( ) ....3 18

symKLS S

M1

ER

M1 M2

M1~M2

Binary reaction

N/Z influence on Reaction Mechanism in semipheriperal collisions N/Z influence on Reaction Mechanism in semipheriperal collisions

N/Z=1.2

N/Z=1.05 N/Z=1.0

N/Z=1.4

4848Ca + Ca + 4848Ca, Ca, 4040Ca + Ca + 4848CaCa @25 A.MeV@25 A.MeV 4040Ca + Ca + 4646Ti, Ti, 4040Ca + Ca + 4040CaCa

The N/Z degree of freedom strongly influences the reaction mechanism

• Larger N/Z heavy evaporation residue emission in CF -ICF events M1>M2

• Lower N/Z lighter and faster mass emission as in binary-like events M1~M2

19 Mass of heaviest fragment Mass of heaviest fragment

CF-ICF fusion CF-ICF fusion

M1>M2 M1>M2

M2 M2

PRL (2010), PRC (2012)

≥ ASYEOS Experiment ASYEOS Experiment -- May 2011May 2011 ASYEOS Experiment ASYEOS Experiment -- May 2011May 2011

Asystiff

Asysoft

≥ ASYEOS Experiment ASYEOS Experiment -- May 2011May 2011 ASYEOS Experiment ASYEOS Experiment -- May 2011May 2011

Asystiff

Asysoft

Experiment S394, CHIMERA-Kraków-LAND-μBall-Zagreb- Daresbury-Liverpool et al., May 2011

μ-ball, CHIMERA, ALADIN Tof-wall for impact parameter orientation and modulus

ALADIN

ToF wall four rings of μ-ball

four rings of CHIMERA

common cluster recognition method

used for particle ID

Large Area Neutron Detector LAND

reactions studied in May 2011

197Au + 197Au @ 400 A MeV

96Ru + 96Ru @ 400 A MeV 96Zr + 96Zr @ 400 A MeV

SIS experiment S394 run in May 2011

• Aggiornamenti più recenti(detection) in CHIMERA(2008-2012):

• Sistema di identificazione di ioni di bassa energia con

metodo della PSD in silicio • linea dimostrativa di produzione di Esotici con metodo

di frammentazione del proiettile (In flyght) • Lo studio con realizzazione di un prototipo di un

correlatore per particelle cariche (FARCOS) • Lo studio preliminare di un sistema di identificazione a

4 ( 1 per singolo modulo) per neutroni veloci

PULSE-SHAPE

Θ = 15.3°

Si

CsI(Tl)

64Ni+124Sn 35 A.MeV

Si-stopped Z distribution

PS

PT

PS

Time Scale

APPLICATION: ISODEC Experiment: Study and comparison of the decay mode

of 78Kr + 40Ca and 86Kr + 48Ca systems at 10 AMeV

The ISODEC : to study the competition among different disintegration modes of medium

mass compound nuclei formed by fusion processes- isospin dependence of their decay

modes. information on fundamental nuclear quantities such as level density, fission barrier

or viscosity, symmetry energy. This experiment complements the results of previous

experiment at lower energy realized at GANIL with INDRA detector.

Mass distribution of different Z for

n-rich and n-poor , = 12°

Data Analysis

Silicon calibration

almost completed -

DE/E and PSD in Si

in progress

Preliminary results show a different isotopic composition

and relative enrichment for the same Z in the two

systems. The yields of the Intermediate Mass Fragments

(3<Z<12) exhibits a strong even-odd staggering, that is

more pronounced for the n-poor system.

The observed differences are very likely due to the role of

the N/Z degree of freedom on the decay channels.

Comparisons with theoretical models (GEMINI,

GEMINI++, DNS) are in progress in order to estimate the

influence of structural effects during the separation

phase in asymmetric fission.

• Illustration of typical performances of the identification methods adopted in the CHIMERA detector, including the recent upgrade of PSD techniques, based on the hardware determination of the rise time of signals induced by particles that are stopped in the silicon detector .(Nuclear Physics News, 22:1, 25-30 (2012))

In flight fragmentation beams at LNS (solo tempo di trasporto)

Production Target

Fragmentation Beams CHIMERA Tagging System: MCP + DSSSD

See for example: I. Lombardo et al. NPB 215, 272 (2011)

Large surface (6x4 cm2 MCP)

Silicon Strip Detector (energy loss and beam position) 24x24 or 32x32 (new) 6.4x6.4 cm2

Target

29

Exotic beams: 68Ni production with 70Zn primary beam

Production of a ≈30 A.MeV Ni beam We MeV) primary 250 µm maximum intensity primary beam

Production of a ≈30 A.MeV 68Ni beam at LNS (TimeScaleZn test) We used a 70Zn19+ (40 A.MeV) primary beam impinging on a 250 µm 9Be target. The maximum intensity obtained for the primary beam was ≈300 enA (0.03 kW)

Beams identification was obtained using the CHIMERAsystemsurface MicroChannel plate followed by a Double Side 32x32 Silicon Strip Detector (DSSSD)

Beams identification was obtained using the CHIMERA-IFEB tagging system constituted by a large surface MicroChannel plate followed by a Double Side 32x32 Silicon Strip Detector (DSSSD)

The production rate was 7 KHz / 30 Watt; reaching 100 Watt of primary beam current, we could obtain 2x10prediction is 5x10

The production rate was 7 KHz / 30 Watt; reaching 100 Watt of primary beam current, we could obtain 2x104 pps rate (Lise++ prediction is 5x104 pps / 0.1 kW)

E.De Filippo et al.

(exp- 2012)

• La realizzazione di uno schema preliminare per neutroni contempla:

• la scelta della sostanza costituente il modulo, scintillatore plastico organico del tipo CnHm (con m 10) che ottimizzi la probabilità della collisione (per singola molecola) e per data sezione d’urto elementare n-p (si trascurano altri contributi per il momento) e che presenti uno spettro di emissione in luce compatibile con l’utilizzo di un fotodiodo (tipicamente sensibile con grande efficienza quantica alle lunghezze d’onda 500 nm). Si esclude l’uso dei fotomoltiplicatori che rendono difficoltoso l’uso sotto vuoto e presentano complessità nella risposta.

• la conseguente eventuale considerazione e scelta di un “wavelength shifter”, sia in termini di sostanza che di modalità di innesto o posizionamento rispetto al modulo principale.

• la scelta della geometria del modulo, considerando il possibile assemblaggio in serie di più unità, o l’eventuale la segmentazione di un unico elemento.

Prime simulazioni:

Plastico del tipo C9H10

Decay time < 10ns Eff. > 7% Dt < o.5 ns per TOF ? PD(hv-300um) 1cm^2 ?

EJ-280

n+p

p+p(~ n+n)

n+p

p+p(~ n+n)

Plastic

stripSi stripSi stripSi

n

n p

CHIMERA@LNS

NUOVA MECCANICA??????

Dopo circa dieci anni di sperimentazione CHIMERA rimane un eccellente rivelatore a 4π per studi di dinamica e termodinamica delle reazioni nucleari alle energie di Fermi con fasci stabili ed esotici. La sua attualità dipende dal fatto che l’attività sperimentale si evoluta attraverso diverse fasi caratterizzate da un deciso progresso nelle tecniche di analisi dati e di identificazione sperimentale. Uno sforzo ancora maggiore verso una migliore definizione nello studio delle correlazioni tra particelle cariche (vedi Farcos) e la posisbilità di includere in modo integrato nella struttura la rivelazione dei neutroni ci sembrano prospettive molto promettenti verso la fisica dell’isopsin con fasci stabili ed esotici. Pertanto: L’accoppiamento di CHIMERA con altri dispositivi ad alta risoluzione (interferometri, strutture ad alta segmentazione, elementi magnetici, rivelatori di neutroni) è fortemente raccomandato al gruppo per espandere la comprensione del meccanismo di reazione tra ioni pesanti; Tale comprensione è necessaria per comprendere l’universo fisico che ci circonda.

CONCLUSIONI:

APPELLO PROLETARIO:

PENSIONATI DI TUTTA ITALIA UNITEVI PER DARE CORAGGIO E SOSTEGNO

AI GIOVANI

Using a primary 18O7+ beam ( used also as pilot beam to set the B of the dipoles) We have repeated the transport of beams around 11Be performed in December 2009 to test the increase

of production after the upgrading of the fragmentation beam

10Be

16C

13B 12Be

9Li

6He

17C

7Li

T (ns)

E

(MeV

)

Yields normalized to 100 W beam (6.3x1011 p/s) Beam kHz kHz 16C 9 59 13B 4.5 37 E~50 MeV/A P/P <1%

RECENT at LNS: EXOTIC at FERMI ENERGYRECENT at LNS: EXOTIC at FERMI ENERGY

2009 2011

16x16 DSSSD 140m (5x5cm2) 24x24 DSSSD 62m (2.4x2.4cm2)