Fisica nucleare

Lo studio della Fisica Nucleare a Bologna è una tradizione consolidata da decenni di ricerche sperimentali e studi teorici condotti da una rilevante componente della comunità dei fisici del Dipartimento di Fisica. L'interesse generale per questa fondamentale branca della Fisica va dallo studio delle caratteristiche fondamentali della forza nucleare allo studio delle interazioni fondamentali fra componenti elementari, dalle ricerche sulle proprietà della materia nucleare allo studio della evoluzione delle stelle e all'astrofisica, dalla fisica applicata alle applicazioni tecnologiche.
In questo contesto, il gruppo di Fisica Nucleare Sperimentale del Dipartimento di Fisica di Bologna è da molti anni impegnato in varie linee di ricerca che riguardano:
1. la fisica nucleare "classica", cioè lo studio del nucleo a basse energie, sia per quanto riguarda la sua struttura sia per quanto riguarda i meccanismi di reazione;
2. le interazioni fra ioni pesanti a basse energie, a energie intermedie e recentemente anche alle altissime energie (ioni ultrarelativistici) con lo scopo primario di indagare la materia nucleare in diverse condizioni di compressione e di energia di eccitazione;
3. le interazioni antinucleone-nucleone sia nel caso "isolato" sia all'interno del nucleo atomico.

Tali linee di ricerca sono state sviluppate nel corso degli anni compiendo misure presso vari Laboratori Nazionali ed Internazionali, in particolare il CERN di Ginevra, i Laboratori Nazionali di Legnaro, i Laboratori Nazionali del Sud, il NSCL della Michigan State University, il Laboratorio Garching di Monaco, i Laboratori di GANIL di Caen, etc. Gli apparati sperimentali utilizzati in tali misure sono sempre stati e sono innovativi e complessi e i gruppi di Bologna, partecipando a collaborazioni nazionali e internazionali, hanno sempre dato notevoli contributi alla loro progettazione, costruzione e messa a punto.
In tali attività, le strutture, i servizi e il personale tecnico e amministrativo del Dipartimento, insieme a quelli dell'INFN, hanno sempre dato contributi indispensabili e hanno giocato un ruolo determinante per il buon andamento delle ricerche.
Nell'anno 2003 gli esperimenti condotti dai Fisici Nucleari del Dipartimento sono stati 6 per un coinvolgimento di 56 ricercatori e 6 fra tecnologi e tecnici. In particolare i campi di ricerca attualmente indagati sono:
1. lo studio delle leggi dinamiche che regolano l'annichilazione dei barioni, la spettroscopia dei mesoni leggeri e la ricerca di stati risonanti barionici esotici (ad esempio stati costituiti da soli gluoni), (esperimento OBELIX);

2. lo studio delle reazioni nucleari fra ioni pesanti a energie basse ed intermedie per indagare le caratteristiche della materia nucleare e il suo comportamento fino ad energie di eccitazione di circa 6 MeV/nucleone, ricavandone informazioni da un lato sulla sua Equazione di Stato e da un altro sulla dinamica delle reazioni che portano alla frammentazione dei nuclei; di particolare rilievo sono alcuni risultati che hanno mostrato chiare indicazioni di una transizione di fase della materia nucleare del tipo liquido-gas a energie intermedie, (esperimenti OUVERTURE, REVERSE, GARFIELD, STREGA e ora NUCL-EX);

3. nell'ambito dell'esperimento ALICE, che studierà al CERN l'interazione nucleo-nucleo ad altissime energie (ioni ultrarelativistici) con lo scopo primario di evidenziare una transizione di fase della materia nucleare che porti a un plasma di quark e gluoni, si stanno studiando e sviluppando soluzioni tecniche innovative sia per la realizzazione di particolari sistemi di tracciamento, sia per la costruzione di rivelatori che permettano altissime prestazioni temporali (ALICE-ITS e ALICE-TOF);

4. lo studio degli effetti direzionali nel moto di ioni nei cristalli e misure di tempi di reazione nei processi di fisione nucleare indotti da ioni pesanti e da particelle alfa;

5. lo studio delle reazioni indotte da neutroni utilizzando la nuova facility del CERN che permette di avere fasci di neutroni ad altissima intensità con ottima precisione energetica da 1 eV a 250 MeV. Sono in corso misure di alta precisione di sezioni d'urto di cattura neutronica di interesse cosmologico, utili per lo studio della nucleosintesi stellare e per lo smaltimento delle scorie nucleari (esperimento n-TOF).



2.1 Esperimento Alice TOF

Personale dell'Università: M. Basile, L. Cifarelli, G.Scioli, A. Zichichi
Personale Enti di Ricerca: F. Anselmo, P. Antonioli, L. Bellagamba, D. Boscherini, G. Cara Romeo, F. Cindolo, D. Hatzifotiadou, G. Laurenti, M. Luvisetto, A. Margotti, R. Nania, A. Pesci, E. Scapparone, G. Valenti, C. Williams
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: A. Alici, A. De Caro, F. Pierella


ALICE all'LHC del CERN ha come obiettivo lo studio delle interazioni di ioni pesanti ultrarelativistici ad un'energia nel centro di massa nucleone-nucleone di 5.5 TeV. Lo scopo principale è la rivelazione e caratterizzazione di una eventuale transizione della materia nucleare allo stato di "Quark Gluon Plasma" (QGP). Il gruppo di Bologna, insieme a Salerno, ha la completa responsabilità della progettazione, realizzazione e funzionamento del rivelatore di Tempo di Volo (TOF) per identificare pioni, kaoni e protoni prodotti, con impulsi inferiori a qualche GeV/c, nella zona "Barrel" di ALICE. Il TOF è basato su un nuovo tipo di rivelatore, l'MRPC ("Multigap Resistive Plate Chamber"), sviluppato appositamente dal gruppo di Bologna per ottenere una risoluzione globale in tempo inferiore ai 90 ps. Nel 2002-03, dopo aver completato la definizione in dettaglio delle procedure costruttive dell'elemento di base e le prove di invecchiamento dovuto alle radiazioni, è stata provata su fascio la catena elettronica completa, dalle schede di "front-end" con l'ASIC analogico alle schede di "read-out" con l'ASIC HPTDC. Sono stati provati anche il "modulo 0" del rivelatore (con 19 "strip") ed i servizi del modulo (sistemi HV, LV con convertitori DC-DC che operano in campo magnetico e il sistema di monitoraggio tramite standard PVSS).


2.2 Esperimento Alice ITS

Personale dell'Università: E.Gandolfi, D. Falchieri
Collaboratori Esterni: M.Masetti (INFN)


L'apparato di ALICE è costituito da un insieme di rivelatori centrali dedicati allo studio dei segnali adronici e di-elettroni. Tra i rivelatori centrali il piu' vicino alla regione di interazione è il tracciatore interno (ITS), costituito da sei cilindri coassiali di rivelatori al silicio: rivelatori a pixel nei due strati interni, rivelatori a deriva nei due strati intermedi, rivelatori a striscie nei due strati esterni. Il gruppo di Bologna in collaborazione con il gruppo di Torino si occupa della progettazione della elettronica di front end relativa a ITS Drift. Tale elettronica è costituita da tre chip ASIC che provvedono alla memorizzazione dei segnali, alla conseguente conversione A/D, compressione e compattamento dei dati e trasmissione alla SIU. Attualmente si è interessati al compattamento dei dati provenienti da 8 rivelatori, loro trasmissione seriale via fibra ottica e conversione serie parallela nella control room con interfacciamento alla SIU. Una prima catena di tre ASIC è sotto test, attualmente li stiamo riprogettando utilizzando la tecnologia 0.25 micron della IBM nella versione Rad Hard sviluppata al CERN.


2.3 Esperimento Obelix

Personale dell'Università: A.Bertin, S. De Castro, D. Galli, I.Massa, M. Poli, N.Semprini Cesari, A.Vitale, A. Zoccoli.
Personale Enti di Ricerca: M.Bruschi, U. Marconi, M. Piccinini, R. Spighi, S. Vecchi, M. Villa (INFN).
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: V. Vagnoni, P. Faccioli, M. Bargiotti, B. Giacobbe, L. Fabbri.


L'esistenza di stati legati di soli gluoni (glueballs) rappresenta uno dei più importanti problemi aperti del modello standard. Nonostante si siano accumulate prove della loro esistenza negli esperimenti di alta energia, la evidenza spettroscopica di tali stati non è ancora stata ottenuta. A questo riguardo la QCD su reticolo predice una massa attorno ad 1.5 GeV e numeri quantici J^PC=0⁺⁺ indicando quindi l'ulteriore difficoltà dovuta alla sovrapposizione con i due stati quark-antiquark convenzionali I=0, J^PC=0⁺⁺ previsti sulla base di SU3. La presente analisi rappresenta la più completa indagine sperimentale sino ad ora compiuta nei canali adronici di decadimento ππ and K`K. Le più alte statistiche fino ad oggi disponibili negli stati finali π^oπ⁺π^- , π^oK⁺K^- e , π^±K^±K^o prodotti nella annichilazione protone antiprotone a riposo. Si sono determinate le masse, larghezze totali e parziali di vasti settori dello spettro adronico di bassa energia. Si fornisce una delle prime evidenze sperimentali del contributo dei gradi di libertà gluonici allo spettro adronico di bassa energia.


2.4 Studio di interazioni di ioni con la materia

Personale dell'Università: F. Malaguti, A. Uguzzoni.


Questa linea di ricerca si incentra sullo studio degli effetti di channeling e blocking nel moto di ioni positivi nei cristalli e sull'applicazione della tecnica del blocking per la misura di tempi di reazione nucleare. Sono stati studiati teoricamente gli effetti dei processi di cattura e perdita di elettroni sui fenomeni di channeling e sono state eseguite misure di blocking nei processi di fissione indotti da ioni S di 160-170 MeV su W e da particelle alfa di 30-40 Mev su ²³⁵U02. I risultati del primo esperimento condotto presso il laboratorio di Garching sono già pubblicati e mostrano che la frazione di nuclei che fissionano con vite medie più lunghe di 10 ns inferiore al 2%, il che potrebbe indicare che nelle vicinanze del numero magico N=126 per i neutroni la viscosità nucleare è ridotta. Un'analisi dei dati per la reazione su U, ancora in corso, mostra indicazioni per l'esistenza di significativi effetti di ritardo temporale per E~30 MeV, non previsti da semplici stime di modello statistico e da ascrivere alla presenza di una seconda buca di potenziale nel processo di fissione, o ad una elevata viscosità .


2.5 Esperimento NUCL-EX

Personale dell'Università: M.Bruno, M. D'Agostino, E. Fuschini, G. Vannini, E. Verondini.
Personale enti di ricerca (INFN): F. Cannata
Assegnisti, Dottorandi, Borsisti: J. De Sanctis, B. Guiot, S. Fabbri, E. Geraci


La collaborazione NUCL-EX ha come scopo principale lo studio degli aspetti dinamici e termodinamici delle reazioni nucleari fra ioni pesanti, con esperimenti da effettuarsi presso i Laboratori Nazionali dell'INFN di Legnaro (apparato Garfield) e Catania (apparato Chimera). Il contesto fisico è lo studio delle caratteristiche di una transizione di fase del tipo liquido-gas in sistemi finiti come i nuclei. E' stato intrapreso uno studio sistematico della regione di coesistenza liquido-gas, a partire dalla parte liquida, fino a qualche MeV per l'energia nel centro di massa. Il risultato più interessante è un ramo negativo del calore specifico di un sistema nucleare caldo eccitato. Questo segnale è stato ottenuto per la prima volta in sistemi nucleari dalla nostra collaborazione ed è stato recentemente confermato sia in fisica nucleare sia in altri campi della fisica, come la fusione di cluster metallici o la frammentazione di clusters di idrogeno. Si sta studiando inoltre la dipendenza dall'isospin dell'equazione di stato della materia nucleare e la temperatura limite, cioè la massima temperatura che un nucleo può sostenere quando evapora statisticamente particelle leggere. Questa temperatura può fornire infatti informazioni sul termine di simmetria della equazione di stato della materia nucleare.


2.6 Reazioni nucleari indotte da neutroni, esperimento n-Tof

Personale dell'Università: G. Vannini.
Personale Enti di Ricerca: A. Mengoni, A. Ventura (ENEA).


Presso il CERN è da quasi due anni in funzione una nuova "facility" che permette di avere un intenso fascio di neutroni, con energie da 1 eV a 250 MeV e con una precisione nella determinazione della energia cinetica mai raggiunta. La costruzione di tale "facility" è connessa all'idea di Carlo Rubbia di studiare la possibilità di produrre energia dal nucleo atomico in modo nuovo, sicuro e pulito, utilizzando un acceleratore che produca neutroni per guidare le reazioni, e la possibilità di eliminazione delle scorie nucleari. In tale ambito si è formata una grande collaborazione internazionale che ha cominciato il suo programma di misure nel 2001. I fisici italiani in particolare hanno proposto di effettuare alcune misure di sezioni d'urto di cattura neutronica che sono di grande interesse per la comprensione della nucleosintesi stellare e per alcune implicazioni cosmologiche. Nel 2003 si sono misurate sia sezioni di cattura neutronica che sezioni d'urto di fissione su numerosi bersagli, anche radioattivi. Gli errori sulle sezioni d'urto assolute sono risultati essere del 5% o minori. I risultati stanno portando informazioni decisive sia per la catena di produzione degli elementi nelle stelle che per la trasmutazione delle scorie radioattive.