CYCLOTRON

1. MAGNEX I LNS dell’INFNStato e prospettive PROTON THERAPY CHIMERA O° 2O° CICLOPE 4O° OUVERTURE 6O° 8O° TANDEM ECR SOURCES EXCYT Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Laboratori Nazionali del Sud CYCLOTRON PRE-INJECTOR R.Alba Cortona – 14 ottobre 2006

2. LNS: alcuni dati Sommario • Gli acceleratori • La produzione di fasci esotici • Le attività di fisica del nucleo • Le attività applicative • Il progetto NEMO • La road map dei LNS • Personale dipendente: ~ 120 unità • Ricercatori associati: ~ 90 • Utenti: ~ 230/anno • Utenti stranieri: ~ 120/anno • Tesi: ~ 25/anno

3. Ciclotrone Superconduttore Gli acceleratori dei LNS 4He 80 MeV/a.m.u. 112Sn 43.5 MeV/a.m.u. Tandem da 15 MV Attività presso gli acceleratoriFisica Nucleare Ricerca applicatainterazione di fasci di ioni con la materia biologicadanneggiamento di materiali indotto da fasci di ioniProtonterapia di tumori oculari (CATANA)

4. Struttura Nucleare • Possibili studi sperimentali al Tandem: • (Lettere di intenti presentate al PAC dei LNS) • Reazioni di doppio scambio di carica (14C,14O) (Magnex) • Processi di transfer di quattro neutroni (14C,10C) (Magnex) • Esperimenti di “particle spectroscopy” per lo studio del clusteringe delle deformazioni associate in isotopi ricchi di neutroni • Studio di stati risonanti di isotopi dell’Idrogeno ricchi di neutroni Sviluppo nuovi fasci Tandem: 14C e 15N Astrofisica Nucleare Misura di sezioni d’urto di interesse astrofisico (nucleosintesi in AGB e ciclo CNO)

5. Utilizzo dei fasci del Ciclotrone e del Tandem nel 2005 Ciclotrone I tests di fascio CS sono stati principalmente finalizzati ad aumentare le intensità estratte per raggiungere gli obiettivi della facility per fasci esotici EXCYT Tandem

6. 500 watt: EXCYT goal Axial Injection from ECR Radial Injection from Tandem Upgrading of the electrostaticdeflectors Tests di fascio sul Ciclotrone Upgrading del Ciclotrone per aumentare l’intensità dei fasci estratti. Il deflettore elettrostatico è stato interamente ridisegnato per avvicinarsi all’originario goal di EXCYT(500 watt). Recentemente si sono avuti avanzamenti significativi (100 200watt)

7. Produzione di fasci esotici: la facility ISOL EXCYT Massima energia: 2.5 ÷ 150 MeV variabile con facilità Bassa emittanza ( <0.5 pmm.mrad) e basso spreadenergetico (DE/E = 10-4)

8. Operating parameters: Vextr= 10 kV, Vacc= 100 kV, V0=7 MV Commissioning dell’intera facility con un fascio stabile di 7Li CEC

9. Trasporto del 8Li e post-accelerazione con il Tandem Primary beam power Measuredon LEBI 1 CEC (10 keV) Through the platforms Through the 2nd stage At the Tandem entrance Through the Tandem 3.4% 100% 90% 80% 10% 101 watt 5•1068Li+ 1.7•1058Li- 1.7 • 105 pps 1.5 • 105 pps 1.2 • 105 pps 1.2 • 104 pps La produzione di 9Li non è stata misurata al massimo della resa 6.2•104 9Li+ 147 watt 9•1068Li+ 3.2•1058Li- 3.2 • 105 pps 2.7 • 105 pps 2.1 • 105 pps 2.1 • 104 pps La trasmissione attraverso il Tandem non è stata ottimizzata. I tests con fascio stabile indicano che si possono raggiungere valori intorno al 30-40% operando sull’ottica della linea di accoppiamento separatore - ingresso tandem necessario miglioramento della diagnostica.

10. Attività di R&D per aumentare le intensità • Individuazione di un fascio primario diverso: buon candidato il 9Be ma difficile da produrre al CS con alte intensità • Incremento della intensità del fascio primario per raggiungere il valore di progetto (500 W) • Nuovo disegno e materiali (schiume, fibre,…) per il complesso bersaglio sorgente

11. EXCYT: Stato e prospettive Primo fascio: 8Li Produzione attraverso la reazione: 13C+12C a 45 MeV/amu L’intera facility è stata testata Con 147 Watt di fascio estratto dal CS si sono ottenute (tests di luglio 2006) intensità di circa 2.1 • 104 pps all’uscita dal Tandem (incremento di circa un fattore 3 facilmente ottenibile ottimizzando la trasmissione attraverso il Tandem) Obiettivo di progetto: 500 Watt di fascio estratto dal CS  work in progress Entro il 2006 si prevede di effettuare gli esperimenti approvati dal Comitato Scientifico dei LNS con fascio di 8Li

12. Esperimenti di Fisica Nucleare approvati con il fascio di 8Li di EXCYT • Measurement of the8,9Li + 28Si reaction cross section at near barrier energies to determine the size of the unstable Li isotopes • Measurement of the a -8,9Li elastic scattering excitation functions in reverse kinematics, aimed at studying backward angle resonances associated with cluster configurations of 12,13B • Measurement of the 8Li(a,n)11B cross section in the c.o.m. energy range from about 1.5 MeV down to the Gamow peak (0.5 MeV). This is key reaction in the inhomogeneous Big-Bang model. PRIMO esperimento

13. Big Bang e nucleosintesi primordiale • Homogenous Big-Bang: solo elementi fino al Litio prodotti nella nucleosintesi primordiale • Inhomogenous Big-Bang: set molto più ampio di elementi prodotto primordialmente (almeno fino al Carbonio). In questo scenario il percorso verso la nucleosintesi è • 1H(n,)2H(n,)3H(d,n)4He(t,)7Li(n,)8Li(,n)11B(n,)12B()12C. 8Li half-life= 840 msec chain bottleneck Programma: misura della sezione d’urto della reazione 4He(8Li,n)11B ad energie di circa 0.5 – 1.5 MeV nel c.o.m.- Primo esperimento previsto con i fasci EXCYT Prospettiva: studio delle reazioni in competizione: 8Li(d,t); 8Li(d,p); 8Li(n,g) ai LNS con fascio di 8Li prodotto tramite reazioni dirette at Ecm= 1.25 MeV  Elab = 3.75 MeV Mizzoi et al. Mizzoi et al. 4He(8Li,n)11B cross section

14. Uno dei primi esperimenti con i fasci di EXCYT: bassa intensità 7,8,9Li+28Si Reaction Cross Section measurements at Near-Barrier Energies (A. Musumarra – LNS e Università di Catania) Scopo: porre constraint sui parametri del modello ottico, per i quali, intorno alla barriera coulombiana, ci si aspettano forti differenze tra nuclei debolmente e fortemente legati Tecnica diretta: impiego di un rivelatore al silicio come target attivo e misura dei gamma in coincidenza per distinguere eventi di reazione da quelli di scattering elastico g-coincidence g- anticoincidence unconditioned

15. 9Be* 9Begs Studio di clustering nucleare esotico su nuclei leggeri ricchi di neutroni Clustering a-Li in 12,13B studiato tramite il metodo dello scattering risonante (RSM) su bersaglio gassoso“infinito”in cinematica inversa. ToF permette di discriminare scattering elastico da inelastico gas filled scattering chamber ToF Esperimenti test 18O+4He e 9Be+4He @ LNS. Funzione di eccitazione di scattering elastico 9Be+4He Proiezione su asse dei tempi

16. Produzione di fasci esotici ai LNS: la facility In-Flight FRIB’s La facility è basata sulla frammentazione del proiettile alle energie intermedie I frammenti di proiettile sono selezionati tramite gli elementi ottici della linea di trasporto Targhetta di produzione

17. Fondamentale per l’utilizzo del fascio secondario prodotto è l’identificazione “tagging” evento per evento effettuata tramite un silicio a 16 strip doppia faccia da 300 mm che può sostenere un elevato tasso di conteggi (testato sino a 100 kHz) posto appena prima del bersaglio sperimentale

18. Primo fascio:18Ne utilizzato per esperimenti sullo studio di decadimento per di-protoni del 18Ne e sulla multiframmentazione di proiettili esotici Reazione di produzione: 45 MeV/A 20Ne su 9Be i=50 pnA sulla targhetta di produzione Resa massima di 18Ne ottenuta:15kHz Una delle poche facilities in grado di produrre fasci esotici alle energie di Fermi dove si può meglio studiare l’influenza del grado di libertà di ISOSPIN sulla dinamica delle reazioni: interesse manifestato anche da utenti stranieri In corso ottimizzazione del trasporto con interventi sull’ottica delle linee di fascio

19. L’attività di fisica del nucleo ai LNS • Astrofisica nucleare • Struttura nucleare • Dinamica e meccanismi di reazione alle energie basse e intermedie

20. Astrofisica nucleare ai LNS: il metodo Il Trojan Horse Method (THM) permette di studiare la reazione di interesse astrofisico x(A,C)c all’energia di Gamow attraverso la selezione di un’appropriata reazione a tre corpi a(A,Cs)c, indotta ad energie più alte della barriera coulombiana Vantaggi: No effetti di repulsione coulombiana (bassissima energia) No effetti di screening elettronico (nucleo nudo) quasi free break-up a s x c Fino ad ora sono state misurate sezioni d’urto di molte reazioni di interesse astrofisico fornendo contributi a problematiche che vanno dalla nucleosintesi primordiale, alla valutazione dell’effetto dello screening elettronico, alla depletion di elementi leggeri e pesanti in ambiente stellare A C virtual reaction in nuclear field A + x  c + C

21. n 2H I 6Li p 9Be α II THM Direct data La reazione 9Be(p,)6Li studiata attraverso THM applicato alla reazione 2H(9Be,6Li)n Rilevanza astrofisica: light elements depletion in stellar environment. • Experiment carried on at LNS • Ebeam(9Be)=22 MeV & Ibeam(9Be)=2-5 nA;

22. Test sul possibile utilizzo del meccanismo quasi free come sorgente virtuale di neutroni 6Li + n  t + a

23. Sviluppi dell’attività Attività sperimentale presso LNS e laboratori esteri con fasci stabili e no in un’ampia collaborazione internazionale Ruhr Universität Bochum, Germany CNS, Tokyo, Japan Riken, Japan Cyclotron Institute,Texas A&M University, USA CIAE, BeijingCina Florida State University, USA Arizona State University, USA Academy of Science,Prague, Czech Rep. Università di Pisa Universidad de Sao Paulo, Brasil GSI, Germany Atomki, Debrecen, Hungary Ruđer Bošković Insitute , Zagreb, Croatia Presentato programma assai ricco per il prossimo quinquennio. Alcuni esempi: • Nucleosintesi primordiale • Nucleosintesi in ambienti esplosivi • Bruciamento dell’elio Leadership ai Laboratori Nazionali del Sud

24. Studi di struttura nucleare: lo spettrometro magnetico MAGNEX Progettato per misure estremamente accurate con i fasci poco intensi (grande accettanza) e di bassa energia di EXCYT. Può essere utilizzato anche con fasci CS di energia minore di 20-30 A MeV • I principali elementi • rivelatore di start sensibile alla posizione; • un quadrupolo focalizzante verticalmente; • un magnete di deflessione; • un rivelatore di piano focale che permette di identificare angolo, carica e massa Ultimato il commissioning con fasci Tandem con pieno raggiungimento dei parametri di progetto. Entrerà in operazione entro il 2006

25. N a + 3 n • N = 4 19O • N = 5 23Ne • N = 6 27Mg 35 30 25 20 15 10 5 0 Single particle regime 15N(7Li,7Be)15C a 55 MeV Counts 0.77 F.Cappuzzelloet al., EuroPhys.Lett.65(2004)766 0.77* Accoppiamento core-particella singola 8.50 7.30 6.77 8.50* ]6.4 g.s.* 7.30* g.s. Sn 0 2 4 6 8 10 12 15C Excitation energy [MeV] Il programma: la reazione di scambio di carica (7Li,7Be) come strumento per lo studio della struttura di nuclei esotici Bound states in the continuum (BSEC): indicazione di effetti di polarizzazione dinamica del CORE. Studio della evoluzione con la asimmetria di carica 7He,11B, 15C  Orsay La collaborazione MAGNEXINFN-LNSINFN, Sez. Catania Università di Catania INFN, Sez. Milano Università di Milano INFN, Sez. PisaUniversity of S. Paulo, IFUSP, BrazilGANIL, Caen, France Universitat Giessen, Giessen, GermanyNIPNE, Bucarest, RomaniaIPN-Orsay, Orsay, FranceGSI, Darmstadt, Germany EXCYT: spettroscopia dell’He-8 tramite la reazione 7Li(8Li,7Be)8He (test di fattibilità approvato dal PAC)

26. Attività sperimentale con CHIMERA: l’esperimento ISOSPIN • Multiframmentazione e transizione di fase liquido -gas • Effetti di instabilità dinamica (t<50 fm/c) • Studio del termine di asimmetria della EOS CHIMERA: ~1200 rivelatori che coprono angoli polari da 1 a 176 gradi e 360 gradi in  Recente upgrading: identificazione di frammenti tramite l’analisi in forma del segnale dei silici: sensibile riduzione delle soglie di identificazione in carica Nuova possibilità: misura della emissione dal target e possibile impiego con fasci di bassa energia (p.es. EXCYT) Rivelatore con caratteristiche uniche intorno al quale si è coagulato un grande interesse della comunità internazionale che opera nel campo della fisica con ioni pesanti alle energie intermedie

27. Be DETECT Li HI a 3He t d p Upgrading di CHIMERA: identificazione di frammenti tramite l’analisi in forma del segnale dei silici: sensibile riduzione delle soglie di identificazione in carica Nuove possibilità: misura dell’emissione dal target ed impiego con fasci EXCYT TESTS DI ACQUISIZIONE IN FORMA DEI SEGNALI DEI TELESCOPI DI CHIMERA

28. PLF TLF Vr2 Vr1 IMF Time scale of the process: the WClock Esperimento REVERSE Prompt 3 1 40 fm/c 2 1 2 80 fm/c 1 2 3 120 fm/c 3 E.DeFIlippo et al Phys. Rev. C71, 044602 (2005). La misura dei frammenti target-like è fondamentale per valutare i tempi di emissione degli IMF e la cronologia di emissione.

29. 40Ca+48Ca 40Ca+40Ca 40Ca+46Ti s (arb. unit) M (amu) Primo risultato di CHIMERA in configurazione completa: evidenza di effetti di isospin nella taglia dei residui di fusione incompleta popolati nelle reazioni 40Ca+40,48Ca,46Ti a 25MeV/A F.Amorini et al. – NN2006 • Work in progress • Studio degli spettri di particelle cariche leggere per valutare le energie di eccitazione; • Confronto con i calcoli teorici.

30. La collaborazione internazionale ISOSPIN IPN-ORSAY(FR), GANIL(FR), IPN-LYON(FR), CEA-SACLAY(FR), CEA-CNRS(FR) KATOWICE(PO), CRAKOW(PO), WARSAW(PO) BUCHAREST(RO) ROCHESTER(USA), MSU(USA) IOANNINA(GRECIA) Ricercatori di queste istituzioni hanno presentato proposte di esperimento con CHIMERA presso i LNS e partecipato ai programmi sperimentali proposti dalla parte italiana della collaborazione (CT, LNS, MI, NA, ME). Forte interesse anche da parte di ricercatori italiani esterni alla collaborazione • Alcuni possibili sviluppi (dopo il 2007) • segmentazione di alcune corone per misure di correlazioni; • accoppiamenti con rivelatori esistenti, per lo studio di temi di fisica specifici (per esempio Medea+SOLE ai LNS, rivelatore per neutroni LAND al GSI)

31. Studio della evoluzione delle proprietà della GDR in nuclei caldi Collaborazione internazionale con leadership LNS-Orsay Seguire la progressiva sparizione della GDR in funzione della energia di eccitazione per estrarre informazioni sulla temperatura limite per l’esistenza del moto collettivo : La sparizione del moto collettivo è stata proposta come una delle evidenze ‘’circostanziali’’ della transizione di fase liquido-gas Possibile sviluppo: dipendenza dall’isospin di questo fenomeno ⇒ uso della parte in avanti di CHIMERA al posto di MACISTE: completa caratterizzazione dei residui in cinematica inversa MACISTE Focal plane detector Apparato: MEDEA-SOLE- MACISTE SOLE Superconducting Solenoid 00  60 A110-120 MEDEA 180 BaF2detectors 300   1800 preliminare D. Santonocito et al., proceedings COMEX 2006

32. Le attività applicative ai LNS • Protonterapia: la facility CATANA • Beni culturali: il laboratorio LANDIS

33. Status della facility CATANA Il ciclotrone superconduttore dei LNS è la sola macchina in Italia e nel sud-Europa utilizzata per protonterapia (protoni da 62 MeV) e, in particolare, per il trattamento dei tumori oculari PATIENTS FOLLOW-UP (March 2002 – July 2005) Un recente accordo tra INFN, Università di Catania, CSFNSM and Azienda Policlinico di stabilisce che si devono svolgere almeno 4 sessioni/anno di protonterapia (4 settimane).

34. Sviluppo dell’attività: progettazione di SC(EN)T a Superconducting Cyclotron for Therapy in grado di accelerare protoni, Li, C con energia massima di 300 AMeV approvato dal C.D. dell’INFN il 21 Luglio un accordo di collaborazione con la ditta IBA per la realizzazione del progetto SCENT: responsabilità costruzione del prototipo ai LNS

35. BENI CULTURALI: il laboratorio LANDIS e suoi sviluppi LANDIS (Laboratorio di Analisi Non Distruttiva In Situ) è dedicato ad applicazioni di tecniche nucleari al campo dei beni culturali. Tecniche utilizzate: PIXE-alfa, XRF Sviluppo recente: XPIXE-alfa Il sistema PIXE-alpha (210Po) mentre misura una preparazione in oro in un Pontificale proveniente da Salerno (codice n. 492) Righe di elementi leggeri La testa del sistema XPIXE-alpha (244Cm); lo spettro si riferisce a misure su particolato atmosferico Righe di elementi pesanti

36. Cu Sn Cu Sn ……….. Cu Ep=22MeV  ……… 500mm LNS Tandem proton beam Einc=22 MeV Eg=1115keV 65Zn production s (a.u.) LANDIS: DPAA Deep Proton Activation Analysis Metodo non distruttivo per determinare la composizione chimica di una regione limitata all’interno delle monete antiche. Protoni da circa 20 MeV inducono attivazione solo all’interno delle monete (sezioni d’urto risonanti) minimizzando il contributo dovuto a patine superficiali. E’ così possibile determinare il contenuto reale dell’elemento cercato mediante analisi per attivazione.

37. Towers with optical sensors Cherenkov radiation Deep sea site (≈3500 m) to shield the background cosmic radiation muon neutrino Astronomia con neutrini di alta energia: il progetto NEMO I neutrini di alta energia prodotti in sorgenti astrofisiche lontane possono giungere sulla Terra senza subire deviazioni. Costituiscono, quindi, una sonda praticamente indisturbata per lo studio delle sorgenti che li hanno prodotti. Le stime sui flussi di neutrini di alta energia impongono rivelatori con dimensioni dell’ordine di 1 km3. La soluzione tecnica percorribile è quella di un rivelatore Cherenkov in un mezzo naturale trasparente (acqua o ghiaccio)

38. Un telescopio sottomarino per neutrini di alta energia Km3 detector Shore station Electro-Optical cable

39. secondary JB “tower” main Junction Box main EO cable Studio di fattibilità per il rivelatore km3 Architettura del rivelatore Ridurre il numero delle strutture per limitare il numero di connessioni Modularità “Torri” con distribuzione non omogenea dei sensori 81 torri da 16 piani (circa 750 metri)

40. Il progetto NEMO Fase 1 Validazione delle tecnologie proposte per la realizzazione ed installazione del telescopio da 1 km3 Realizzazione di un sistema comprendente tutti gli elementi chiave Installazione a 2000 m di profondità presso il Test Site Sottomarino dei Laboratori Nazionali del Sud al largo del porto di Catania Il progetto NEMO Fase 2 Realizzazione di una stazione a 3500 m di profondità sul sito di Capo Passero • OBIETTIVI • Realizzazione di una infrastruttura sottomarina a 3500 m di profondità sul sito di Capo Passero • Test delle procedure di installazione a 3500 m • Installazione di una torre di 16 piani • Monitoraggio a lungo terminedel sito • STATO • Acquistato un edificio, sulla banchina del porto di Portopalo. Iniziati i lavori di ristrutturazione per adibire l’edificio all’utilizzo come stazione di terra • Deployment del cavo nell’estate 2007

41. NEMO: stato e prospettive Scelta del sito Il sito di Capo Passero individuato e studiato dalla collaborazione NEMO presenta caratteristiche ottimali per l’installazione del km3 Studio di fattibilità e progetto preliminare Lo studio di fattibilità effettuato ha dimostrato che un rivelatore km3 può essere realizzato ad un costo di circa 100 Meuro Validazione delle tecnologie per la realizzazione del km3 Le tecnologie di realizazione ed installazione saranno validate con la realizzazione del progetto Fase-1 nel 2006 e di Fase-2 nel 2007 Sviluppi futuri Design Study (KM3NeT) per il km3 finanziato dall’EU Costruzione del rivelatore …

42. Tempi di realizzazione e costi del km3 Completamento di NEMO Fase 2 Completamento di NEMO Fase 1 Infrastrutture a CP Costruzione del km3 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 KM3NeT Il costo per la realizzazione del km3 nella configurazione NEMO (81 torri) è stimato in circa 100 M€ escluse le infrastrutture a terra e il cavo

43. Roadmap LNS • Telescopio Cherenkov km3 per la rivelazione di neutrini di alta energia • Realizzazione di una facility unica al mondo nel campo della fisica astroparticellare • La struttura sarà anche un laboratorio sottomarino multidisciplinare • EXCYT II • Realizzazione di una facility di livello intermedio per fasci radioattivi per lo sviluppo dei programmi di fisica nucleare, basata su un nuovo ciclotrone che possa sostituire il ciclotrone superconduttore come primario in EXCYT (possibile derivazione di SCENT) • Sviluppo di ciclotroni per terapia con ioni BUDGET!?!?!?