Deep-underground study of the 21Ne(p,g)22Na reaction at astrophysical energies

This thesis work is developed in the context of the Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA), located at Gran Sasso National Laboratories (LNGS). LUNA studies nuclear reactions of astrophysical interest, with the aim of establishing their cross sections at low energies, those that characterize the thermonuclear reactions happening in the stars. The LUNA experimental site is particularly suitable for nuclear astrophysics measurements thanks to its deep-underground location, below 1400m of rock. In fact, nuclear fusion cross sections at astrophysical energies are very small, and the signal produced in a typical experiment is much smaller than the environmental background at the Earth's surface. Environmental background is mainly produced by naturally-occurring radioactive isotopes and cosmic rays. At LNGS the cosmic rays flux is suppressed by six orders of magnitude, allowing to perform high-sensitivity experiments. This thesis involves the study of the 21Ne(p,g)22Na reaction, it is relevant in the nucleosynthesis of the red giant stars and classical novae explosions. The latter are nuclear explosions that take place in binary stellar systems consisting of a white dwarf and a main sequence star. The 21Ne(p,g)22Na reaction has been reproduced in the laboratory delivering a proton beam to a neon target. The main focus of the experiment was to study two intense resonances at 270,67 keV and 271,56 keV proton beam energy. The gamma rays emitted in the de-excitation of the two resonances were detected by means of two high-purity germanium detectors, characterized by high energy resolution. This setup allowed to investigate the decay scheme of the two resonances. After a two-week shift in the Gran Sasso laboratories, the data analysis foresaw the determination of the efficiency for the two germanium detectors, then the analysis went on with the study of a gamma-ray spectrum to identify all the transitions observed. Finally, the strength of the two resonances was evaluated. The results for the low-energy resonance agree with the literature. On the other hand, for the higher-energy resonance, new gamma-ray transitions have been discovered, and the resonance strength is 43,74% higher than the previous literature value. Moreover, the associated uncertainty has been reduced.

Questo lavoro di tesi si inserisce nel contesto del progetto LUNA (laboratorio sotterraneo per l’astrofisica nucleare), situato ai laboratori nazionali del Gran Sasso (LNGS). LUNA studia reazioni nucleari di interesse astrofisico, misurando il valore delle loro sezioni d’urto a basse energie, ovvero quelle che caratterizzano le reazioni termonucleari che avvengono nelle stelle. A rendere particolarmente interessanti gli studi di astrofisica nucleare a LUNA è il contesto di un laboratorio che si sviluppa al di sotto di 1400m di roccia. Infatti, le sezioni d’urto per le reazioni di fusione nucleare ad energie astrofisiche sono molto piccole e il segnale prodotto in tali esperimenti è inferiore al fondo ambientale che caratterizza la superficie terrestre. Il fondo ambientale è prodotto principalmente da isotopi radioattivi presenti in natura e dai raggi cosmici. Presso i LNGS il flusso di tali raggi è ridotto di sei ordini di grandezza, favorendo esperimenti ad alta precisione. Questa tesi è incentrata sullo studio della reazione 21Ne(p,g )22Na, rilevante nella nucleosintesi nelle giganti rosse e per le esplosioni di novae classiche. Queste ultime sono esplosioni nucleari che coinvolgono sistemi stellari binari costituiti da una nana bianca e da una stella in sequenza principale. La reazione 21Ne(p,g)22Na è stata riprodotta in laboratorio inviando un fascio di protoni su un bersaglio di neon. Il principale scopo dell’esperimento era studiare due intense risonanze ad energie per il fascio di protoni pari a 270,67 keV e 271,56 keV. I raggi gamma emessi nella diseccitazione delle due risonanze sono stati rilevati con due detector al germanio iper-puro, caratterizzati da un’elevata risoluzione energetica. Questa configurazione ha permesso di studiare lo schema di decadimento delle due risonanze. L’analisi dei dati, dopo un turno di due settimane ai LNGS, ha previsto la determinazione dell’efficienza per i due rivelatori al germanio, poi il lavoro è proseguito con lo studio di uno spettro gamma per identificare le transizioni osservate. Infine, è stata valutata l’intensità delle due risonanze: i risultati per quella a bassa energia sono in accordo con la letteratura; per la risonanza a più alta energia sono state individuate nuove transizioni gamma e l’intensità ottenuta è superiore del 43,74% al valore noto in letteratura. Inoltre, l’incertezza associata è stata ridotta.