Methods to measure low cross sections for nuclear astrophysics Mérési módszerek asztrofizikailag jelentős magfizikai hatáskeresztmetszetek meghatározására Szücs Tamás Nukleáris asztrofizikai csoport Témavezető: Dr. Fülöp Zsolt

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Nukleáris Asztrofizika Csillagokban lejátszódó magreakciók Elemek keletkezése / Energiatermelés Energiák mélyen a Coulomb gát alatt (töltött részecske reakciók esetén) Hatáskeresztmetszetek a pikobarn tartományban vagy ez alatt Extrapoláció

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Méréseim célja Kis jelek detektálhatóságának vizsgálata Érzékenység növelése A csúcsterület relatív hibája: B S A relatív hiba csökkenthető Háttércsökkentés Jelnövelés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Háttércsökkentés Dolgozatomban a nagyenergiás (E  >3MeV) laboratóriumi hátteret tanulmányoztam In-beam mérések esetén ebben a tartományban is várunk  -sugárzást A laboratóriumi hátteret földfelszínen ebben a tartományban a kozmikus sugárzás okozza, főként a müonok

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Árnyékolási módszerek Aktív árnyékolás Passzív árnyékolásPasszív árnyékolás Az ionizáló kozmikus sugarak ellen is jó, mert azok keresztül- haladnak a vétó detektoron és benne jelet keltenek A fő detektorban tiltható a jel Kisebb anyagmennyiség Bonyolultabb elektronika Véletlen jeltiltás lehetősége Környezeti radioaktivitás ellen jó A kozmikus sugárzás egy része ellen is jó Hogy müonok ellen is jó legyen hatalmas mennyiségű kell → Föld alatti labor Det. Árnyékolás Háttércsökkentés Det. Vétó detektor

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Müonok intenzitása nagyon lassan csökken 15 m víz ekvivalens mélység (m. w. e.) kiszűri a kozmikus neutronokat Egy pont alatt már a mélységgel nem változó komponens dominál Kozmikus sugárzás gyengülése a mélységgel Háttércsökkentés G. Heusser, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 45, 543 (1995) S. Niese, Radioactivity in the Environment 11, 209 (2008)

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Detektor ATOMKI detektora, amit minden egyes helyszínre elszállítottunk Nagy tisztaságú germánium (HPGe) detektor Szegmentált Nagy hatásfok: -122% addback módban Aktív bizmut-germanát (BGO) pajzs Háttércsökkentés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Mély földalatti labor LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) 1400m mély (3800m w.e.) Ritka események, sötét anyag keresése, nagyon alacsony hátteret igénylő mérések Egyetlen földalatti nukleáris asztrofizikai célokra használt gyorsító a LUNA-ban (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) A nyalábidő szüneteiben háttérmérések (Összesen 12 nap hosszú háttérmérés, 6-8 órás spektrumokból összeadva) Háttércsökkentés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Eredmény 1 Az aktív árnyékolásnak nincs hatása a nagyenergiás laboratóriumi háttér tartományban mély földalatti laborban, ahol a kozmikus müonok fluxusát erősen csökkenti a labort árnyékoló szikla. Háttércsökkentés T. Szücs, et al. (LUNA Collaboration) The European Physical Journal A 44, 513 (2010)

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Kozmikus sugárzás gyengülése a mélységgel Háttércsökkentés LNGSFelszínFelsenkeller

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Sekély földalatti labor Felsenkeller Drezdában 47m mély (110m w.e.) Alacsony hátterű labor Kereskedelmi radiológiai analízis Néhány nukleáris asztrofizikai vizsgálat Háttércsökkentés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Eredmény 2 Sekély földalatti mélységben a kozmikus müonok fluxusa csak 40-ed része a felszíninek. Itt az aktív pajzs jelentősen csökkenti a nagyenergiás háttértartományt. Háttércsökkentés T. Szücs, et al. The European Physical Journal A 48, 8 (2012)

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Eredmény 2 Megállapítottam, hogy az aktív árnyékolás segítségével ez a mélység is elegendő asztrofizikailag fontos magreakciók hatáskeresztmetszetének mérésére. Pl: 12 C(  ) Méréseim alapján a Felsenkeller laboratóriumban tervezik egy nukleáris asztrofizikai célokra használandó gyorsító beszerzését! Háttércsökkentés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Méréseim célja A csúcsterület relatív hibája: B S

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Aktivációs módszer Az ATOMKI Nukleáris Asztrofizikai Csoportjában ezt a módszert használjuk a hatáskeresztmetszet mérésekhez A besugárzás és a  -detektálás különválik Az keletkezett aktivitást az általánosan használt  -detektálással határoztuk meg Célom érzékenyebbé tenni ezt a módszert Jelnövelés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Aktivációs módszer karakterisztikus röntgensugárzás detektálásával A röntgen fotonok intenzitása a vizsgált tömeg- tartományban általában nagyobb, mint a gammáké (extrém esetben I  = 0) A detektorok hatásfoka ebben a tartományban a legnagyobb Mivel elemekre jellemző, ezért azonos elem különböző izotópjai közt nem tesz különbséget Jelnövelés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Detektor Low Energy Germanium (LEGe) Vékony kristály Érzéketlen a magas energiákra Berillium ablak Réteges árnyékolás Jelnövelés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Érzékenység A minimum detektálható aktivitás (MDA) egy jó mérőszáma az érzékenységnek Két detektor összehasonlításához az MDA arányt használhatjuk Jelnövelés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június MDA összetevői Laboratóriumi háttér Jelnövelés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június MDA összetevői Hatásfok Jelnövelés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június MDA összetevői Feloldás Jelnövelés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június MDA arány Jelnövelés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Eredmény 3 Tanulmányoztam a röntgen méréshez használt detektort, hozzá illeszkedő árnyékolást terveztem. Meghatároztam a detektorral minimum detektálható aktivitását. Ezzel bebizonyítottam, hogy a LEGe 3-ad annyi aktivitást képes detektálni a röntgen energia tartományban mint egy hagyományos nagykristályos detektor. Ezen kívül bizonyítottam, hogy 350keV-ig alacsony energiás gammák detektálására is alkalmasabb! Jelnövelés G. G. Kiss, T. Szücs, et al. Nuclear Physics A 867, 52 (2011)

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Példa a röntgen detektálás alkalmazására 169 Tm( ,  ) és 169 Tm( ,n) reakciók mérése Hagyományos gamma detektálással az ( ,n) csatorna jól mérhető 6,7 nap felezési idő Intenzív gammák (  ) csatorna mérése gamma detektálással nehéz: reakciótermékének felezési ideje 500 nap kis intenzitású, kis energiás gammák (  ) csatorna mérése röntgen detektálással: K  röntgen vonalak intenzitása 44 és 76% Nyaláb indukált háttérre nem érzékeny a detektor A nagyon különböző felezési idők miatt a két csatorna reakciótermékének aktivitása külön mérhető Jelnövelés

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Tm( ,  ) és 169 Tm( ,n) reakciók hatáskeresztm. Jelnövelés Röntgen detektálás

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Eredmény 4 Gamma sugárzás detektálása útján ~13MeV tömegközépponti energiáig mérhető 169 Tm( ,n) reakciót megmértem Gamow ablak közeli energiákig. Gamma sugárzás detektálása útján földfelszínen mérhetetlennek ítélt reakció / 169 Tm(  )/ hatáskeresztmetszetét megmértem le egészen 12.3MeV tömegközépponti energiáig. Jelnövelés G. G. Kiss, T. Rauscher, T. Szücs, et al. Physics Letters B 695, 419 (2011) T. Rauscher, G. G. Kiss, T. Szücs, et al. PRC elfogadva

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Referált közlemények Háttércsökkentés : –T. Szücs, et al. (LUNA Collaboration) An actively vetoed Clover  -detector for nuclear astrophysics at LUNA The European Physical Journal A 44, 513 (2010) –T. Szücs, et al. Shallow-underground accelerator sites for nuclear astrophysics: Is the background low enough? The European Physical Journal A 48, 8 (2012) Jelnövelés: –G. G. Kiss, T. Szücs, et al. Activation method combined with characteristic X-ray counting: A possibility to measure (  ) cross sections Nuclear Physics A 867, 52 (2011) –G. G. Kiss, T. Rauscher, T. Szücs, et al. Determining reaction cross sections via characteristic X-ray detection:  -induced reactions on 169 Tm for the astrophysical  -process Physics Letters B 695, 419 (2011)

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Köszönetnyilvánítás Köszönet: Fülöp Zsolt témavetetőmnek A nukleáris asztrofizikai csoport minden tagjának Az itthoni, németországi és olaszországi munkatársaknak A német Herbert Quandt alapítványnak a féléves ösztöndíjért A dolgozat elkészítését a TÁMOP-4.2.2/B-10/ számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Összes közlemény Dolgozat témájában megjelent folyóiratcikkek: –4 referált folyóiratcikk –2 konferencia proceedings –2 egyéb publikáció Konferencia és egyéb szereplések a dolgozat témájában: –6 poszter –3 előadás Egyéb folyóiratcikkek: –8 referált folyóiratcikk –15 konferencia proceedings Egyéb konferencia és tudományos műhely szereplések: –19 poszter –2 előadás

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Bírálói kérdés 6.8. ábra6.5. ábra

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június

Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, június Extra V. A. Kudryavtsev, et al. NIM A 505, 688 (2003) … H. M. Araújo, et al. NIM A 545, 398 (2005)