PANDORA

Plasma for Astrophysics, Nuclear Decays Observation and Radiation for Archaeometry

Responsabile Locale: 

Obiettivi scientifici

Gli esperimenti condotti sugli anelli di accumulazione hanno dimostrato che la durata dei β-radionuclidi può cambiare radicalmente in funzione dello stato di ionizzazione. L’esperimento PANDORA mira a misurare, per la prima volta, i tassi di decadimento nucleare β in condizioni simili a quelle stellari. Lo studio si concentrerà principalmente sui radionuclidi coinvolti nei processi nucleari-astrofisici (Nucleosintesi primordiale, processi-s, cosmo-cronometri, formazione del sistema solare primordiale). Le trappole magnetiche e compatte di plasma, in cui i plasma raggiungono valori di densità elettronica pari a ne ~ 1011-1014 cm-3 e un’ampia gamma di temperature medie elettroniche Te ~ 0.1-30 keV, a seconda delle condizioni di lavoro, sono adatte a tali studi. I tassi di decadimento possono essere misurati in funzione della distribuzione dello stato di carica degli ioni nel plasma. L’attuale attività della collaborazione è ora focalizzata sulla progettazione della trappola di plasma in grado di raggiungere le densità, le temperature e le distribuzioni degli stati di carica necessarie. Maggiori dettagli possono essere trovati inThe PANDORA project: an experimental setup for measuring in-plasma β-decays of astrophysical interest – EPJ Web of Conferences 227, 01013 (2020)

Attività

La trappola al plasma di PANDORA sarà installata nel laboratorio INFN-LNS nei prossimi anni. La prima fase dell’esperimento (5 anni) è iniziata a gennaio 2020 e riguarderà la costruzione dell’infrastruttura (il sistema magnetico per la trappola al plasma e la matrice di rivelatori HpGe) e la preparazione dell’esperimento (modelli teorici, calibrazioni e misure). Il primo periodo di acquisizione dei dati dovrebbe iniziare tra il 2023 e il 2024, per studiare tre casi di fisica: i tassi di decadimento β in plasma per gli isotopi riportati nella tabella seguente.

La Collaborazione, l’attività locale e le responsabilità

L’esperimento PANDORA è una collaborazione internazionale. Il progetto è attualmente finanziato dalla Commissione Nazionale Scientifica 3 dell’INFN. Le unità INFN partecipanti all’esperimento sono quattro: LNS (M. David, investigatore principale), LNL (A. Galatà, resp. Locale), Sezione di Perugia (M. Busso, resp. Locale) e Sezione di Bologna (F. Odorici, resp. Locale). Altri istituti nazionali coinvolti nell’esperimento sono INAF-OACT e CNR-IBAM. Gli istituti internazionali che collaborano sono: Accademia delle scienze ungherese, Università del Michigan, CNRS-LPSC Grenoble – Francia, GANIL – Francia, Max Plank Institute – IPP Garching, Germania.

Il gruppo INFN di Bologna è attualmente composto da Alberto Mengoni, Marco Cuffiani, Luciana MalferrariFabrizio Odorici. Tuttavia, altri colleghi di Bologna sono coinvolti nell’esperimento e in seguito parteciperanno formalmente. Le principali responsabilità locali sono:

  • Sviluppo della camera interna del plasma.
    La camera al plasma interna è costituita da un (sottile) rivestimento attivo della camera principale e fornisce una segmentazione elettrica della parete (cilindrica); ogni segmento è anodizzato sulla superficie esterna (e sui bordi) in modo che, essendo elettricamente isolato dal vicino, sia possibile polarizzarlo con una data tensione. Ciascun segmento sarà quindi collegato a terra mediante un circuito di misurazione I-V, svolgendo una doppia funzione: in primo luogo, sarà possibile misurare le correnti di dispersione del plasma in base a una segmentazione assiale, e in secondo luogo sarà possibile ottimizzare la configurazione del polarizzazione della parete in modo differenziato, al fine di minimizzare le perdite radiali e ottimizzare le caratteristiche del plasma.

 

  • Aspetti di fisica nucleare teorica e riduzione del fondo.
    Il calcolo teorico dei tassi di decadimento attesi e degli spettri di emissione sono necessari per determinare il segnale atteso (raggi γ) di un dato isotopo con decadimento β; è necessaria una simulazione del fondo atteso (dovuto all’emissione γ del plasma, a causa del bremsstrahlung di elettroni caldi) e (in alcuni casi) deve essere applicata una tecnica di riduzione del fondo al fine di migliorare il rapporto segnale-rumore. Per ridurre il fondo γ dovuto agli elettroni caldi, Bologna svilupperà un cannone elettronico che inietterà elettroni ausiliari a bassa energia nella camera al plasma. Questa tecnica consente di migliorare la stabilità del plasma e di ridurre la densità di elettroni caldi nel plasma.  

 

Sono disponibili opportunità di tesi e di tesi magistrale (email: fabrizio.odorici@bo.infn.it)