Methods to measure low cross sections for nuclear astrophysics Mérési módszerek asztrofizikailag jelentős magfizikai hatáskeresztmetszetek meghatározására.

Az előadások a következő témára: "Methods to measure low cross sections for nuclear astrophysics Mérési módszerek asztrofizikailag jelentős magfizikai hatáskeresztmetszetek meghatározására."— Előadás másolata:

1 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

2 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 2 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

3 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 3 Méréseim célja Kis jelek detektálhatóságának vizsgálata Érzékenység növelése A csúcsterület relatív hibája: B S A relatív hiba csökkenthető Háttércsökkentés Jelnövelés

4 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 4 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

5 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 5 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

6 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 6 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)

7 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 7 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

8 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 8 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

9 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 9 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)

10 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 10 Kozmikus sugárzás gyengülése a mélységgel Háttércsökkentés LNGSFelszínFelsenkeller

11 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 11 Sekély földalatti labor Felsenkeller Drezdában 47m mély (110m w.e.) Alacsony hátterű labor Kereskedelmi radiológiai analízis Néhány nukleáris asztrofizikai vizsgálat Háttércsökkentés

12 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 12 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)

13 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 13 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

14 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 14 Méréseim célja A csúcsterület relatív hibája: B S

15 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 15 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

16 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 16 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

17 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 17 Detektor Low Energy Germanium (LEGe) Vékony kristály Érzéketlen a magas energiákra Berillium ablak Réteges árnyékolás Jelnövelés

18 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 18 Érzékenység A minimum detektálható aktivitás (MDA) egy jó mérőszáma az érzékenységnek Két detektor összehasonlításához az MDA arányt használhatjuk Jelnövelés

19 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 19 MDA összetevői Laboratóriumi háttér Jelnövelés

20 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 20 MDA összetevői Hatásfok Jelnövelés

21 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 21 MDA összetevői Feloldás Jelnövelés

22 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 22 MDA arány Jelnövelés

23 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 23 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)

24 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 24 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

25 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 25 169 Tm( ,  ) és 169 Tm( ,n) reakciók hatáskeresztm. Jelnövelés Röntgen detektálás

26 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 26 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

27 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 27 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)

28 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 28 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-10/1-2010-0024 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

29 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 29 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

30 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 30

31 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 31 Bírálói kérdés 6.8. ábra6.5. ábra

32 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 32

33 Szücs T., Ph.D. dolgozat nyilvános vitája, 2012. június 19. 33 Extra V. A. Kudryavtsev, et al. NIM A 505, 688 (2003) … H. M. Araújo, et al. NIM A 545, 398 (2005)