The lifetime of the 6.79 MeV state in 15O as a challenge for nuclear astrophysics and gamma-ray spectroscopy: a new DSAM measurement with the AGATA Demonstrator array

The determination of the thermonuclear reaction rates is a challenging task of nuclear astrophysics. In order to investigate this and other nuclear processes in the stellar medium, new techniques and new advanced setups for nuclear physics experiments are of vital importance. In this Thesis an advanced γ-ray spectroscopy system has been used in an experiment of astrophysical interest, that is a new Doppler shift attenuation measurement of the lifetime of the 6.79MeV state in 15O. An accurate measurement of this quantity is of paramount importance in the determination of the astrophysical S-factor and the derived cross section for the 14N(p, γ)15O reaction, the slowest one in the CNO cycle. The results of a new direct measurement of this nuclear level lifetime are discussed. The first excited states in 15O (and 15N) were populated via fusion-evaporation and Nucleon-transfer reactions of 14N on 2H (implanted at the surface of a ≈4 mg=cm2 Au layer) at 32MeV beam energy, provided by the XTU Tandem at the Legnaro National Laboratories. Gamma rays were detected with 4 triple clusters of the AGATA Demonstrator array, placed at backward angles, allowing to measure the angular distribution of the emitted γ rays in a continuous way. The energy resolution and position sensitivity of this state-of-the-art gamma spectrometer have been exploited to investigate lifetimes of nuclear levels in the ≈fs range via the Doppler Shift Attenuation Method. The deconvolution of the lifetime effects on the line-shapes of the gamma peaks from the ones due to the kinematics of the emitting nuclei has been performed by means of detailed Monte Carlo simulations of the gamma emission and detection. Coupled-channel calculations for the nucleon transfer process have been used for this purpose. Being one of the first experiments using this state-of-the-art γ ray spectroscopy tool, particular emphasis will be put in the description of the not trivial data replay and analysis, as well as the development of an ad hoc simulation tool. The comparison of experimental and simulated spectra of high-energy gamma-rays, de-exciting levels with lifetimes in the few fs range, will be shown for the 6.79MeV transition in 15O and for known cases in 15N, together with details of the chi-square analysis. Lifetime estimates for excited levels in 15N will be given and compared with previous results. The data analysis allows to give a new limit to the lifetime of the 6.79MeV state in 15O.

La determinazione della sezione d'urto delle reazioni termonucleari nelle stelle è una delle sfide più impegnative per l'astrofisica nucleare. Per comprendere questo ed altri processi nucleari che avvengono nel mezzo stellare sono fondamentali gli esperimenti di fisica nucleare con tecniche e strumentazioni sempre più avanzate. In questo lavoro di tesi, è stato utilizzato per la prima volta un apparato d'avanguardia per la spettroscopia gamma per un esperimento di interesse astrofisico e, cioè, una nuova misura della vita media dello stato a 6.79 MeV nel nucleo 15O, utilizzando il metodo del Doppler shift attenuato. Una determinazione accurata di questa quantità è, infatti, di estrema importanza per ricavare il fattore astrofisico S e la corrispondente sezione d'urto della reazione 14N(pγ)15O, la più lenta del ciclo CNO. Verranno quindi presentati e discussi i risultati di una nuova misura diretta della vita media dello stato in questione. I primi stati eccitati del nucleo 15O (e 15N) sono stati popolati attraverso i meccanismi di fusione-evaporazione e di trasferimento di nucleoni nella reazione 14N + 2H (impiantato sulla superficie di 4mg/cm2 di uno strato di oro) ad una energia di 32 MeV, con il fascio di 14N accelerato dal Tandem XTU dei Laboratori Nazionali di Legnaro. I raggi gamma prodotti nella reazione sono stati rivelati mediante quattro rivelatori compositi (clusters tripli) del dimostratore di AGATA, posti all'indietro rispetto alla linea di fascio, consentendo una misura, in modo continuo, della distribuzione angolare dei raggi gamma. La risoluzione in energia e la sensibilità alla posizione di interazione di questo modernissimo spettrometro gamma sono stati utilizzati per misurare vite medie nel range dei fs mediante il “Doppler Shift Attenuation Method". Il contributo degli effetti dovuti alla vita media sulle forme di riga dei picchi gamma, rispetto a quelli legati alla cinematica dei nuclei emessi è stato estratto mediante dettagliate simulazioni Monte Carlo della emissione e rivelazione della radiazione gamma. A questo scopo sono stati effettuati calcoli in canali accoppiati del processo di trasferimento di nucleoni. Trattandosi di uno dei primi esperimenti in cui tale spettrometro d’avanguardia è coinvolto, verranno discussi in dettaglio i vari passaggi dell’analisi dei dati e dello sviluppo di una parte di codice Monte Carlo. Il confronto tra gli spettri sperimentali e simulati per raggi gamma di energia molto alta, che diseccitano stati nucleari di pochi fs, verrà mostrato per la transizione di 6.79 MeV nel nucleo 15O e per alcuni livelli del nucleo 15N. Vengono presentati anche i dettagli dell’analisi del chi-quadro, essenziale per ottenere i risultati. I valori di vita media ottenuti per gli stati eccitati del nucleo 15N vengono confrontati con i risultati noti in letteratura. L’analisi dei dati conclusiva ha permesso di dare un nuovo limite alla vita media del livello a 6.79 MeV del nucleo 15O.