• Come come sono costituiti i nuclei a partire dai

loro costituenti base?

interazione forte nel mezzo nucleare

• Come si spiegano le proprietà collettive a

partire dai nucleoni individuali ?

collettività a confronto con singoli nucleoni

• Come emergono schemi semplici nella struttura

di sistemi complessi come i nuclei?

simmetrie

• Come e dove si sono formati i diversi

elementi?

Nucleosintesi stellare

• Come come sono costituiti i nuclei a partire dai

loro costituenti base?

interazione forte nel mezzo nucleare

• Come si spiegano le proprietà collettive a

partire dai nucleoni individuali ?

collettività a confronto con singoli nucleoni

• Come emergono schemi semplici nella struttura

di sistemi complessi come i nuclei?

simmetrie

• Come e dove si sono formati i diversi

elementi?

Nucleosintesi stellare

www.nupecc.org

→ Nuclei → Nuclei esoticiesotici

→ → FasciFasci radioattiviradioattivi

Dal capitolo su struttura nucleare del LRP1010 NuPECC

E=52.1 GeV

ground and excited states of 56Fe (Z=26, N=30)

E=mc2=0

excited states

•• Energy:Energy:

56Fe

0+

2+

4+

2+

847

0

2085

2657

(keV)

1 MeV

•• Atomic Nucleus is a manyAtomic Nucleus is a many--body strongly body strongly

interacting open quantum systeminteracting open quantum system

•• SingleSingle--particle and collective degrees of particle and collective degrees of

freedomfreedom

Per Per caratterizzarecaratterizzare I nuclei e I nuclei e le le loroloro EccitazioniEccitazioni le le ossevabiliossevabili sonosono •• EnergieEnergie •• FattoriFattori SpettroscopiciSpettroscopici •• ProbabilitàProbabilità didi TransizioneTransizione per nuclei per nuclei stabilistabili ee instabiliinstabili

Nuclei Nuclei esoticiesotici e e ecccitazioniecccitazioni esoticheesotiche : per : per estrarreestrarre informazioniinformazioni sullesulle interazioniinterazioni Nuclei Nuclei lontanolontano dalladalla stabilitàstabilità : : precursoriprecursori deidei nuclei nuclei stabilistabili e e giocanogiocano un un ruoloruolo nellanella nucleosintesinucleosintesi

Challenges:Challenges:

• strong interaction

• number of nucleons

Dall’interazione N-N a una interazione efficace (Metodo HF) Interazione residua per descrivere le eccitazioni

AX

Coulomb excitation

Fusion evaporation, Fragmentation,

Fission, Deep inelastic scattering

Inelastic and elastic scattering

Knock-out

Radioactive decay

AY

T1/2 Ip

Energy

A-1X (d,p)

Few-nucleon transfer

Mass spectroscopy Laser spectroscopy

The Experimental ProbesThe Experimental Probes

E*

NORMAL

minimum

SUPER deformed

minimum

FEEDING

of SD bands

DECAY-OUT

of SD bands:

Coupling between

ordered and chaotic

states

Il metodo sperimentale Il metodo sperimentale

E. Fioretto

INFN - LNL

E. Fioretto

INFN - LNL

195 MeV 195 MeV 3636S + S + 208208Pb, Pb, lablab = 80= 80oo

E (a.u.)E (a.u.)

E

(a.u

.)E

(a.u

.)

Z=16Z=16

Z=28Z=28

X

Array Array forfor Gamma Gamma spectroscopyspectroscopy

Array Array forfor Gamma Gamma spectroscopyspectroscopy

MCP

Dipole

MWPPAC

Ion Chamber

ParticleParticle DetectorsDetectors and and spectrometersspectrometers toto identifyidentify the the excitedexcited nucleusnucleus in mass and in mass and ZZ

ParticleParticle DetectorsDetectors and and spectrometersspectrometers toto identifyidentify the the excitedexcited nucleusnucleus in mass and in mass and ZZ

IonIon positionposition

++

CLARA CLARA (ex(ex--EUROBALL)EUROBALL)/AGATA /AGATA –– PRISMA setup PRISMA setup Legnaro National Legnaro National LaboratoryLaboratory INFN (INFN (ItalyItaly))

HighHigh--Efficiency Efficiency gg--particle particle coincidence Measurementscoincidence Measurements

PRISMAPRISMA PRISMAPRISMA

ΔΔΩΩ = 80 = 80 msrmsr ΔZ/Z 1/60

ΔA/A 1/190

Energy acceptance ±20%

Bρ = 1.2 Tm Gamma Gamma detectorsdetectors

AGATA and CLARAAGATA and CLARA

Gamma Gamma detectorsdetectors

AGATA and CLARAAGATA and CLARA

~3 % @ E~3 % @ Eγγ= 1.3 MeV= 1.3 MeV 22p p solid anglesolid angle

3 rings at 1003 rings at 100°°, 130, 130°°, , 150150°°

AGATA Demonstrator @ LNLAGATA Demonstrator @ LNL Physics Campaign 2010-2011 ComplexComplex

detector detector system system builtbuilt in in EuropeanEuropean collaborationcollaboration

·

·

· ·

· ·

g

Highly segmented HPGe detectors

Digital electronics to record and process segment signals

Reconstruction of scattering sequence from Compton vertices

Identified interaction points (x,y,z,E)i

UnaUna selezioneselezione tratra ii recentirecenti risultatirisultati

Interazioni : ruolo dell’interazione tensoriale

Accoppiamenti particella fonone e fattori spettroscopici Simmetria di isospin moti collettivi e implicazioni astrofisiche

Beta decay e Gamow-Teller strenght nel processo r

UnaUna selezioneselezione tratra ii recentirecenti risultatirisultati

Interazioni : ruolo dell’interazione tensoriale

Accoppiamenti particella fonone e fattori spettroscopici Simmetria di isospin moti collettivi e implicazioni astrofisiche

Beta decay e Gamow-Teller strenght nel processo r

Interazione nucleare

RuoloRuolo dell’interazionedell’interazione tensorialetensoriale inin

nuclei nuclei ricchiricchi didi neutronineutroni

Interazione nucleare

RuoloRuolo dell’interazionedell’interazione tensorialetensoriale inin

nuclei nuclei ricchiricchi didi neutronineutroni

Interazione protone neutroni nei nuclei Interazione protone neutroni nei nuclei

Nel deutone : forza tensoriale Nei nuclei : nell’interazione residua protone – neutrone per particolari orbitali

Le energie degli orbitali dei neutroni dipendono da come sono occupate gli orbitali dei protoni

Orbitali di p e n con Δl = 2 percorsi in senso opposto Interazione attrattiva

5050Ca è un caso in cui è prevista la presenza di questo effettoCa è un caso in cui è prevista la presenza di questo effetto Serve la misura dell’energia e probabilità di transizione : Serve la misura dell’energia e probabilità di transizione : vita media dello stato vita media dello stato

5050Ca è un caso in cui è prevista la presenza di questo effettoCa è un caso in cui è prevista la presenza di questo effetto Serve la misura dell’energia e probabilità di transizione : Serve la misura dell’energia e probabilità di transizione : vita media dello stato vita media dello stato

Valiente-Dobon et al.,PRL102(2009)242502 D. Mengoni et al., PRC82(2010)024308

Gamma Gamma decaydecay fromfrom MULTI MULTI NucleonNucleon TRANSFER TRANSFER ReactionsReactions + tecnica PLUNGER + tecnica PLUNGER differenzialedifferenziale

Misure di vita media negli isotopi del Misure di vita media negli isotopi del CaCa

D = 30 D = 30 mmm m –– 2200 2200 mmmm tt

D = 30 D = 30 mmm m –– 2200 2200 mmmm tt ~ 0.5 ~ 0.5 –– 10 10 psps

m = 1/vt

distance

Inte

nsi

ty r

atio

Slope lifetime

Ca (2+)

gamma detectors

LNL It can be reproduced by theory

Accoppiamenti particella fonone e fattori spettroscopici

Nature and Occupancy of single-particle orbits

Interplay Single-Particle and Collectivity

Crucial test of Models and Interactions

DWBA

EX

jl

d

dd

d

S

)(

)(

,

A. Gade et al. PRC77(2008)044306

Dependence on Fermi Surface Enhanced CORRELATIONS in Strongly bound valence nucleons

Source of Source of discrepanciesdiscrepancies -- CCore ore excitationsexcitations -- SState tate fragmentationfragmentation

M.B. Tsang et al. PRL102(2009)062501

Ni Ni

±40% ±40%

(Theory)

(EX

P)

Spectroscopic FactorsSpectroscopic Factors

ParticleParticle--vibration couplingvibration coupling

PHENOMENOLOGICALPHENOMENOLOGICAL ParticleParticle--phononphonon

WEAK WEAK couplingcoupling calculationscalculations (Bohr & Mottelson)

33-- pp3/23/2

[[l l jj11]]I I

MultipletMultiplet ofof StatesStates 9/29/2++, 7/2, 7/2++, 5/2, 5/2++, 3/2, 3/2++

Energy Energy ShiftShift recoupling

j

dcba Cjj

jjhIE

2)()(

),,()(

21

12

2

,,,

l

l

Lowest order Perturbative Contributions

l , B(El) → Exp. Values

s.p. Energies

(j1), (j2) → HF – SkX

matrix element

h(j2,j1,l) → Bohr & Mott.

4949CaCa

MICROSCOPIC MICROSCOPIC Calculations based onCalculations based on

SELFSELF--CONSISTENT SchemeCONSISTENT Scheme

(Colò, Bortignon, Sagawa, …)

RPA

microscopic Vph

G. Colò, H. Sagawa, P.F. Bortignon, PRC 82, 064307 (2010).

Hartee-Fock with Veff → short-range correlations included

Particle-Vibration coupling on top → same Hamiltonian or EDF

NO approximation in the vertex

EXACT treatment of COUPLING

use of WHOLE phonon wave function

Need for More Experimental Input

SpectroscopySpectroscopy of of 4949Ca: Ca: Spin and Spin and ParityParity AssignmentAssignment

dipole I=1

[4% DI=2]

4949CaCa

quadrupole

I=2

NN┴┴

NN||||

0

08.0 05.0

||

||

NN

NNA

ElectricElectric

Misura di Misura di spinspin e paritàe parità Dalla distribuzione angolare e dalla Dalla distribuzione angolare e dalla Polarizzazione di transizioni gamma Polarizzazione di transizioni gamma

– Search for Particle-Phonon coupled states key process for anharmonicities of vibrational spectra Damping of collective excitations (Giant Resonances …)

Heavy-Ion multi-nucleon transfer Reaction

48Ca+64Ni @ 6MeV/A

PRISMA-CLARA

D. Montanari, S. Leoni et al., PLB697(2011)288

Angular distributions Polarizations Lifetimes to firmly establish Ip and B(E/Ml)

at HIGH Rates: More Exotic systems High precision measurements

of W() and Pol with AGATA

Simmetria d’isospin

Simmetria d’Simmetria d’isospinisospin nei nuclei nei nuclei mirrormirror i nuclei i nuclei mirrormirror hanno hanno una differenza di una differenza di energiaenergia dovuta solo dovuta solo all’interazione all’interazione CoulombianaCoulombiana Variazione Variazione -- Quando dovutoQuando dovuto alla rotazione c’è un alla rotazione c’è un allineamento degli allineamento degli spinspin

I calcoli non possono riprodurre i datiI calcoli non possono riprodurre i dati Indicazione di una rottura della Indicazione di una rottura della simmetriasimmetria d’d’isospinisospin

EGDR

g

CNCN CNCN

AGATA Under Analysis

Isospin mixing parameter

0,0E+00

2,0E-04

4,0E-04

6,0E-04

8,0E-04

1,0E-03

0 5 10 15 20

E (MeV/u)

mg

BNVdip

exp. data

IsospinIsospin mixing nei nuclei a temperatura finita mixing nei nuclei a temperatura finita IsospinIsospin mixing nei nuclei a temperatura finita mixing nei nuclei a temperatura finita

Effetti d’Effetti d’isospinisospin nella nella fusione e momento fusione e momento di dipolo dinamicodi dipolo dinamico Gruppo di NapoliGruppo di Napoli

Effetti d’Effetti d’isospinisospin nella nella fusione e momento fusione e momento di dipolo dinamicodi dipolo dinamico Gruppo di NapoliGruppo di Napoli

InibitoInibito N=ZN=Z Regole Regole di di selezioneselezione

MotiMoti collettivicollettivi

PDR GDR

P

N

Ave

rage

Tra

nsit

ion

char

ge

dens

itie

s

Nuclear Structure information from the Nuclear Structure information from the Electric Electric Dipole response in Nuclei Dipole response in Nuclei

N

Ave

rage

Tra

nsit

ion

char

ge

dens

itie

s

States of different nature Average Transition charge densities

Oscillation on Oscillation on neutron skinneutron skin

AGATA AGATA expexp: nature : nature ofof pygmypygmy resonanceresonance::208208 PbPb a test a test benchbench

ComparisonComparison ofof the the strengthstrength fromfrom

((γγ, , γγ’) ’) -- and and ((17 17 O , O , 17 17 O’ O’ γγ) ) experimentsexperiments Some Some missingmissing strengthstrength in case in case ofof ((17 17 O , O , 17 17 O’ O’ γγ) ) aboveabove 7 7 MeVMeV

Pb data from AGATA

Eg = 5512 keV

E1

1--0+

208208Pb(Pb(1717O,O,1717O’γ) O’γ)

208208Pb(p,Pb(p, p’) p’)

208208Pb(γ, γ’ ) Pb(γ, γ’ )

208208 Pb…Pb….. a test .. a test benchbench

ComparisonComparison withwith the the resultsresults ofof the the excitationexcitation ofof the the pygmypygmy statesstates withwith 3 3 probesprobes ::

((γγ, , γγ’) ’) -- probingprobing the the entireentire nuclearnuclear volume (volume (DarmstadDarmstad expexp)) (p,(p,pp’) ’) -- at 295 at 295 MeVMeV isovectorisovector probe probe possiblepossible branching branching at at excitedexcited statesstates (OSAKA (OSAKA expexp) )

((17 17 O , O , 17 17 O’ O’ γγ) strong ) strong isoscalerisoscaler charactercharacter–– similarsimilar behaviourbehaviour ofof ((αα, , αα’ ’ γγ) in ) in otherother nucleinuclei TwoTwo regionsregions-- differentdifferent

There is an extrapolation of 18 orders of magnitude from the neutron radius of a nucleus (from 5-6 Fm to 10 km radius) of a neutron star.

BothBoth radiiradii dependdepend on the on the knowledgeknowledge ofof equationequation ofof state state ofof neutronneutron richrich mattermatter. .

Oscillation of the neutron skin and neutron stars Oscillation of the neutron skin and neutron stars

NucleusNucleus

NeutronNeutron star star

Associated EOS quantities

Symmetric

matter EOS

Symmetry

energy S

Nuclear

matter EOS

The density dependence of the

symmetry energy is poorly

constrained and one would like

to know the key parameters

L slope parameter of the EL slope parameter of the Esymsym

S(ρ) = J +L/3 (ρ- ρ0)/ ρ0+ Ksym((ρ- ρ0)/ ρ0)2 + ….

Expansion around density

ρρ0 0 = saturation density = saturation density

L slope parameter KL slope parameter Ksymsym curvature parameter at saturation densitycurvature parameter at saturation density

B. Tsang Summary of the NuSYM11 International Symposium on Nuclear Symmetry Energy

is related to Po, the pressure from the symmetry energy for pure neutron matter at So

000 3/30

pddSL

NeutronNeutron pressurepressure …………from…………from differentdifferent measurementsmeasurements ((pygmypygmy in in 6868Ni and Ni and 132132 SnSn) )

MisureMisure con con apparatoapparato CHIMERA a LNS CHIMERA a LNS reazionireazioni didi frammentazioneframmentazione con con ioniioni pesantipesanti

allealle energieenergie didi FermiFermi

Competition between Dynamical

and Statistical fission

In futuro con i fasci In futuro con i fasci radiattiviradiattivi : : apparato FAZIAapparato FAZIA

RicercaRicerca didi altrialtri nuovinuovi motimoti collettivicollettivi

12C (18O,16O) 14C 7° < lab < 16°

E* (MeV)

6.7

3

8.3

2

12.

86

10.

74

g.s

.

7.0

1

6.0

9

9.8

6.5

8 GPV

F.Cappuzzello, et al., Phys. Lett.B 711 (2012) 347-352

Experiment at LNS with MAGNEX

Pairing vibration

Re⊿

Im⊿

superfluid phase open-shell nuclei

E

Pairing rotation

Spettroscopia gamma e reazioni per l’astrofisica Spettroscopia gamma e reazioni per l’astrofisica

Misura della vita media dello stato a 6.79 Misura della vita media dello stato a 6.79 MeVMeV nel nel 15 15 O O prodotto nella reazione prodotto nella reazione 1414N(N(pp,,γγ))1515O O

nella combustione stellare nella combustione stellare

La risonanza sotto soglia a 6.79 La risonanza sotto soglia a 6.79 MeVMeV gioca un ruolo gioca un ruolo Importante nell’estrapolazione della Importante nell’estrapolazione della sezione d’urto nellasezione d’urto nella regione del picco di regione del picco di GamowGamow

@ 162° experimental

simulation

Grazie alla sensitività posizionale di Grazie alla sensitività posizionale di AGATA si ha una sensitività a vite AGATA si ha una sensitività a vite medie medie ≈≈fsfs

Misura fatta con AGATAMisura fatta con AGATA

ReazioniReazioni a a bassabassa energiaenergia per per l’astrofisical’astrofisica nuclearenucleare

Fusion hindrance at low energies 58Ni + 54Fe Astrophysical factor S

protronprotron halohalo

EXOTICEXOTIC atat LNLLNL

(E) = S(E) e–2ph E-1

LUNA a LNGS ERNA a Caserta

Misure LNS

+

Beta decay far from stabilityBeta decay far from stability

NucleiNuclei aroundaround thethe r­processr­process waiting pointswaiting points

NucleiNuclei aroundaround thethe r­processr­process waiting pointswaiting points

NucleiNuclei aroundaround thethe r­processr­process waiting points:beta decaywaiting points:beta decay

Nuovi dati : test previsioni del tipo Nuovi dati : test previsioni del tipo GamowGamow TellerTeller ((spinspin--isospinisospin interactioninteraction))

FuturoFuturo Nuova generazione di fasci radioattivi per:Nuova generazione di fasci radioattivi per: Studiare i molteplici gradi di libertà dei numerosi Studiare i molteplici gradi di libertà dei numerosi nuclei fino ad ora solo identificatinuclei fino ad ora solo identificati produrne nuovi per cercare di raggiungere le produrne nuovi per cercare di raggiungere le driplinesdriplines

Sono i precursori dei nuclei stabili e servono per capireSono i precursori dei nuclei stabili e servono per capire l’origine degli elementi !!! l’origine degli elementi !!!

FuturoFuturo Nuova generazione di fasci radioattivi per:Nuova generazione di fasci radioattivi per: Studiare i molteplici gradi di libertà dei numerosi Studiare i molteplici gradi di libertà dei numerosi nuclei fino ad ora solo identificatinuclei fino ad ora solo identificati produrne nuovi per cercare di raggiungere le produrne nuovi per cercare di raggiungere le driplinesdriplines

Sono i precursori dei nuclei stabili e servono per capireSono i precursori dei nuclei stabili e servono per capire l’origine degli elementi !!! l’origine degli elementi !!!

Articolo in Nature in occasione del centenario di Rutherford nel 2011 2700 nuclei creati in laboratorio negli ultimi 100 anni

SintetizzazioneSintetizzazione in laboratorio di nuovi nuclidiin laboratorio di nuovi nuclidi

Notare che i picchi sono in corrispondenza allo sviluppo di nuove tecnologie

238U

82

50

20

126

50

28

28

fission

fragmentation

Fusion spallation

ISOLISOL

InIn--FlightFlight

Le tecniche di produzione Le tecniche di produzione

SPES layout

ISOL FACILITY

1.Upgrade lower-β cryostats (from 3 to 5,5 MV/m) 2.First cryostat with “funnel”-shaped beam dynamics 3.Two additional cryostats recovered from PIAVE Upgrade 4.New small cryostat for SC 80-160 MHz bunching cavities

total accelerating voltage ~ 70 MV

La frontiera in struttura nucleare: La frontiera in struttura nucleare: Il limite della stabilita’ NucleareIl limite della stabilita’ Nucleare La frontiera in struttura nucleare: La frontiera in struttura nucleare: Il limite della stabilita’ NucleareIl limite della stabilita’ Nucleare

Pro

ton

Neutron

Fe

abbondanze r-process waiting points nuclei

Implicazioni Implicazioni AstrofisicheAstrofisiche

Produzione di fasci radioattivi di seconda generazione con la tecnica ISOL Nuclei ricchi di neutroni con A = 60-160 1012-13 fissioni 108 pps di 132Sn Studio della struttura nucleare di nuclei instabili presenti nelle stelle

nucleosintesi nelle supernovae nucleosintesi nelle supernovae

Programma SPES coordinato con GANIL –INFN LEA su: Sviluppo bersaglio di produzione(LNL) R&D strumentazione particelle cariche (FAZIA) (Fi) Separatore (LNS) EU projet: SPIRAL2 –Preparatory Phase

Programma SPES coordinato con GANIL –INFN LEA su: Sviluppo bersaglio di produzione(LNL) R&D strumentazione particelle cariche (FAZIA) (Fi) Separatore (LNS) EU projet: SPIRAL2 –Preparatory Phase

SPES a SPES a LNLLNL SPES a SPES a LNLLNL

SviluppoSviluppo del del bersagliobersaglio didi produzioneproduzione vedivedi relazionerelazione di Alberto di Alberto AndrighettoAndrighetto

esperienzaesperienza con con ExcytExcyt a LNS a LNS èè essenzialeessenziale per per separtoresepartore, , ionizzazioneionizzazione

ISOL Roadmap in EUROPE

2014-2025

FROM 2025

SPIRAL – LNS - EXCYT

TODAY

conclusione

Risultati selezionati ma molti altri molto rilevanti non sono stati presentati……

Futuro molto interessante Futuro molto interessante -- sviluppo di tecnologia per acceleratori e rivelatori e sviluppo di tecnologia per acceleratori e rivelatori e analisi dati sempre analisi dati sempre piu’piu’ complesse sono in atto.complesse sono in atto. Impegno forte nell’ambito teorico per interpretare nuovi dati sperimentali e Impegno forte nell’ambito teorico per interpretare nuovi dati sperimentali e guidare le scelte di programmazione sperimentale. guidare le scelte di programmazione sperimentale. La comunità italiana e i laboratori INFN sono ben inseriti e collegati con altri La comunità italiana e i laboratori INFN sono ben inseriti e collegati con altri laboratori in ambito internazionale . laboratori in ambito internazionale . In particolare la In particolare la facilityfacility SPES darà futuro in SPES darà futuro in questo settore .questo settore . L’obiettivo comune è quello di progredire in questo settore davvero promettente e L’obiettivo comune è quello di progredire in questo settore davvero promettente e di crescente interessedi crescente interesse