Projeto de PesquisaNúcleos fracamente ligados e mecanismos de quebra com e sem transferências

Prof. Dr. José Roberto Brandão de OliveiraInstituto de Física da USP – Departamento de Física Nuclear

Resumo

Propõe-se a montagem de novos tipos de detectores para medidas de reações com feixesestáveis fracamente ligados e feixes radioativos. Arranjos experimentais com estes detectores,envolvendo coincidências cinemáticas entre partículas carregadas e com raios gama, permitirão ainvestigação detalhada dos mecanismos de quebra de núcleos fracamente ligados, cuja importânciaem processos astrofísicos é amplamente reconhecida, além do próprio interesse físico fundamentaldo problema de espalhamento que envolve o acoplamento com estados do continuum. Osexperimentos serão realizados no Acelerador Pelletron do IFUSP, com e sem a utilização do sistemaRIBRAS para produção de feixes radioativos. O projeto permitirá iniciar um programa promissorem conexão com outros projetos locais e em colaborações internacionais, com grandes desafiostecnológicos. São solicitados recursos para construção de 2 detectores de cintiladores LYSO(Ce) de3×3 pixels acoplados a fotomultiplicadoras de silício (SiPM), cuja resolução em energia ésuficiente para as medidas propostas, e apresentam alta eficiência de fotopico e relativamente baixocusto, e um sistema de telescópios ΔE-E tipo phoswich (cintiladores plásticos) com altagranularidade, também com SiPMs, e que apresentam tolerância a altas taxas de contagens.Propomos a medida das reações de 7Li + 120Sn, 9Be + 154Sm, e 8Li + 154Sm, entre outraspossibilidades, a energias próximas da barreira. Os resultados contribuirão para o desenvolvimentodos modelos teóricos que visam a descrição dos processos e previsões quantitativas das seções dechoque.

Research ProjectWeakly bound nuclei and break-up mechanism with or without transfer

Prof. Dr. José Roberto Brandão de OliveiraInstituto de Física da USP – Departamento de Física Nuclear

Abstract

The assemblage of new types of detectors for the measurement with weakly bound stableand radioactive beams is proposed. The experimental setups with these detectors, involvingkinematic coincidence between charged particles and gamma rays, will allow the detailedinvestigation of the break-up mechanisms of weakly bound nuclei, which have a well knownimportance in astrophysical processes, besides the intrinsic interest of the fundamental physicalproblem of the scattering which involves coupling to states in the continuum. The experiments willbe performed at the Pelletron Accelerator (IFUSP), with and without the use of the RIBRAS systemfor the production of radioactive beams. The project should initiate a promising research program inconnection with other local projects and in international collaborations, with great technologicalchallenges. The funding is requested for the assemblage of 2 LYSO(Ce) scintillator detectors with3×3 pixels coupled to Silicon photo-multipliers (SiPM), with sufficient energy resolution for theproposed measurements, and with large photo-peak efficiency and relatively low cost, and ΔE-Eplastic (phoswich) scintillators with high granularity, also with SiPMs, which present high count-rate capabilities. We propose the measurement of the 7Li + 120Sn, 9Be + 154Sm, and 8Li + 154Smreactions, among other possibilities, at energies around the barrier. The results should contribute tothe development of the theoretical models which aim the description of the processes andquantitative predictions of the cross sections.

Equipe

Pesquisadores AssociadosJosé Roberto Brandão de OliveiraNilberto Heder MedinaLeandro GasquesMarcos Aurélio Gonzalez Alvarez Maurício MorallesJuan Antonio Alcantara NúñezVinicius Antonio Bocaline ZagattoKumar Raju

Pós GraduandosAndré Freitas (DR)Vitor Angelo Paulino de Aguiar (DR)Rafael Escudeiro (MS)

ColaboradoresRubens Lichtenthäler FilhoAppannababu Selaboina

Apoio Técnico/AdministrativoFuncionários do DFN – Setores de oficina mecânica, eletrônica, informática e secretaria.

Seções:

1-Introdução ao problema físico fundamental

2-Resultados recentes obtidos no Acelerador Pelletron do LAFN-IFUSP

3-Objetivos do projeto

4-Arranjos experimentais propostos

5-Eletrônica associada

6-Experimentos propostos

7-Conexões com outros projetosProjetos com utilização do sistema RIBRASProjeto Nossa CaixaProjeto NUMEN

8-Resultados esperados

9-Desafios tecnológicos

10-Cronograma de execução

11-Disseminação e avaliação

12-Outros apoios

Bibliografia

Anexo - Tabela de orçamento

1-Introdução ao problema físico fundamental

Núcleos fracamente ligados (estáveis e/ou radioativos)desempenham um papel fundamental seja para a produção deenergia e para a nucleossíntese em ambientes estelares(normais), ou em processos explosivos (supernovas), bemcomo nos “primeiros 20 minutos” do universo (nucleossínteseprimordial), quando foram formados os primeiros núcleos demassa 7 (7Li, 7Be, Fig. 1). Os mecanismos de reaçãoenvolvendo núcleos fracamente ligados são de difícil descriçãoteórica, pois envolvem, entre outras coisas, processos dequebra (break-up, BU) com acoplamento a estados docontinuum. Núcleos fracamente ligados, em geral, apresentambaixos limiares de quebra associados a fragmentos formadospor aglomerados de partículas alfa (clusters).

Os resultados experimentais mostram que,frequentemente, a quebra de um projétil fracamente ligadoocorre após a transferência de uma ou mais partículas com onúcleo alvo. A ref. [1] apresenta um dos primeiros dessescasos reportados na literatura.

Os processos de quebra podem influir, por exemplo, no mecanismo de fusão nuclear,resultando em supressão da seção de choque a energias abaixo da barreira, e podem influir tambémna taxa de “destruição” dos isótopos fracamente ligados. Para influir significativamente sobre a

seção de choque de fusão é necessário que o processode quebra seja suficientemente rápido, ocorrendo antesda distância mínima de aproximação com o núcleoalvo. Resultados experimentais recentes mostram que épossível classificar o processo de quebra em duasescalas de tempo: “instantânea” (prompt) e “atrasada”(delayed) a primeira produzindo fragmentos comenergia relativa alta, e a segunda, baixa. As refs. [2] e[3] reportam resultados das medidas das reações de6,7Li com 144Sm, 207,208Pb, e 209Bi. Observa-se quepredomina a ocorrência de transferências seguidas doprocesso de quebra, resultando nos “ejéteis” (ejectiles)não-ligados 8Be e 5Li, com subsequente quebra emduas partículas alfa e em α+p, respectivamente. Comum sistema de detecção de partículas de altagranularidade e cobertura angular é possível obter osespectros de energia relativa entre os fragmentos.Nestes espectros evidencia-se a presença de duascomponentes: um pico estreito, associado a escalas detempo maiores, e uma distribuição larga, associada aosprocessos rápidos. A figura 2 apresenta exemplosdestes espectros.

A interpretação teórica destes resultados épossível por meio de cálculos semiclássicos. Oprograma PLATYPUS [4-6] permite o cálculo combase em um modelo de trajetórias clássicas

Figura 2: Espectros de energia relativaentre os fragmentos de quebra (BU)observados em diversas reações nucleares(figura extraída da ref. [3]).

Figura 1: Principais reações danucleossíntese primordial (de~10s a ~20 min após o “Bigbang”). Somente o núcleo de 4Heé fortemente ligado.

tridimensionais de 3 corpos. A probabilidade de quebra é considerada como exponencialmentedependente da distância de separação entre o projétil e o alvo. A figura 3 ilustra as trajetórias dosprocessos prompt e delayed, e a figura 4 os resultados quantitativos do programa. Nota-se que aprojeção no eixo horizontal geraria as duas componentes do espectro de energia relativa, o picomais ou menos estreito e a distribuição larga, associados com as duas escalas de tempo envolvidas,“antes” e “depois” do ponto de máxima aproximação (distância mínima entre alvo e feixe ao longoda trajetória) R0, no instante T0.

Outro aspecto relevante ao entendimento do mecanismo de quebra de núcleos fracamenteligados está relacionado à energia de excitação dos núcleos envolvidos na reação. Na ref. [7], porexemplo, foram descritas medidas de coincidência gama-partícula da reação de 7Li+198Pt a 45 MeV(acima da barreira). Foi possível observar uma correlação das energias dos fragmentos de BU comos canais de evaporação identificados pelas transições gama. Este trabalho ilustra as possibilidadesde obtenção de informações relevantes com utilização desta técnica. As medidas foram feitas compoucos detectores de partículas (telescópios de Silício), portanto não permitindo uma medidadetalhada da distribuição angular e menos ainda do espectro de energia relativa entre os fragmentos,que como vimos, é importante para caracterizar as escalas de tempo dos processos envolvidos.

Torna-se portanto importante realizar medidas mais completas e detalhadas, e estendê-las aoutras regiões de massa de forma a investigar de forma mais extensiva e exclusiva os processos dequebra e fornecer dados experimentais de qualidade para subsidiar o desenvolvimento de modelos ecálculos teóricos dos mecanismos de reações envolvidos. Como se verá adiante este é um dosobjetivos principais do presente projeto.

Figura 3: Processos de quebraprompt e delayed e sua relação coma distância projétil-alvo e a energiarelativa entre os fragmentos (figuraextraída da ref. [2]).

Figura 4: Curvas de nível das intensidades de quebra em função dos parâmetros distância ou tempo (relativos ao ponto da trajetória de distância mínima R0, T0 entre feixe e alvo) e energia relativa Erel entre os fragmentos (figura extraída da ref. [3]).

2-Resultados recentes obtidos no Acelerador Pelletron do LAFN-IFUSP

A técnica de medidas de coincidências gama-partícula para medida de mecanismos dereações nucleares foi implantada por nós no LAFN há alguns anos. Detalhes técnicos emetodológicos desse tipo de medidas foram desenvolvidos no trabalho de mestrado de V.A.B.Zagatto [8] e foram publicados em [9]. Mais recentemente obtivemos resultados experimentaisinteressantes para a reação de 7Li+120Sn a energias próximas da barreira, no trabalho de doutoradode V.A.B. Zagatto [10] . Além de obter distribuições angulares de espalhamento inelástico (trabalhorecentemente aceito para publicação no Journal of Physics G), observamos também transferênciasde núcleons entre os núcleos participantes seguidas da quebra dos ejéteis não-ligados: 8Be e 5Li. Osespectros de raios gama obtidos em coincidência com os telescópios cintiladores plásticos do nossoespectrômetro permitiram identificar os estados associados com as respectivas transferências: p-pickup e 2n-stripping. A figura 4 apresenta os resultados preliminares das distribuições angularesdos ejéteis 8Be e 5Li. Para obtenção das distribuições angulares é necessário reconstruir a direçãooriginal dos ejéteis instáveis por meio de simulações de Monte-Carlo a partir dos ângulos dedetecção das partículas α presentes nos fragmentos resultantes da quebra (2 α e α + p,respectivamente). Nestas simulações preliminares não foram considerados os casos de decaimentoanterior ou próximo a R0, o que é uma aproximação razoável para o caso do 8Be mas é uma

aproximação grosseira para o caso do 5Li. Apesar disso é possível reproduzir razoavelmente bem asdistribuições angulares experimentais com cálculos de canais acoplados com inclusão de umpotencial de polarização (TELP), por sua vez obtido em cálculos de CDCC (Continuum DiscretizedCoupled Channels), com utilização do programa FRESCO (http://www.fresco.org.uk/).

A tabela 1 mostra os estados acoplados e parâmetros (fatores espectroscópicos) utilizadosnos cálculos. A identificação dos estados envolvidos foi feita com base nas respectivas energias

Figura 5: Distribuições angulares (acima) de 120Sn(7Li,8Be) (esquerda) e 120Sn(7Li,5Li)(direita) a 24 MeV. Abaixo encontram-se os resultados de simulações de Monte-Carlo paraos ângulos relativos entre as partículas α (esquerda) e o ângulo entre a partícula α e adireção do ejétil original (direita), em função do ângulo de laboratório do ejétil.

características dos raios gama, detectados em coincidência com os fragmentos. Cálculos maisdetalhados (com utilização do programa PLATYPUS [6]) serão necessários para obtermos umasimulação mais precisa, e resultados experimentais mais confiáveis para as distribuições angularesque foram medidas. Medidas mais exclusivas, com a detecção simultânea dos dois fragmentos dequebra se fazem desejáveis para uma melhor caracterização dos processos. Estas medidas serãoviabilizadas com os recursos solicitados no presente projeto.

Também foram feitas medidas da reação de10B+120Sn, como parte do trabalho de Doutorado de A.Souza. A análise de dados está em andamento, mas jáhá evidências da excitação do estado 2+ do 120Sn emcoincidência com partículas de Z=2 e Z=3, portantoresultantes de quebra do projétil.

A figura 6 apresenta um exemplo de espectrogama típico obtido em coincidências com partículasespalhadas de Z=3 (Li), utilizado nas medidas daseção de choque de espalhamento inelástico do estado2+ do 120Sn. Nota-se que o espectro é extremamentelimpo, contendo apenas a transição de 1171 keV, istoé, o decaimento do estado 2+ para o estadofundamental. A transição de 704 keV, característica do decaimento do segundo estado excitado do120Sn (0+), não é observada, evidenciando a forte seletividade do mecanismo de reação. Esteespectro gama foi obtido com detectores de GeHP de alta resolução em energia (cerca de 2.5 keV).No entanto, para uma medida como essa, faz-se desnecessária a utilização de uma resolução tãoboa. Seria possível a realização dessa medida com detectores de resolução inferior, comocintiladores inorgânicos, mas de maior eficiência e menor custo, como os que estão sendosolicitados na presente proposta, além de terem melhor resolução temporal, o que é muito beneficialem certas circunstâncias.

Além destes resultados, obtidos com feixes fracamente ligados estáveis, também foramfeitas diversas medidas com o sistema RIBRAS [11,12] dedicado à produção de feixes radioativos.Por exemplo, a reação de 6He+120Sn foi estudada na faixa de 17 a 20 MeV [13]. O espectro departículas alfa detectadas indica que, além da quebra do núcleo de 6He, há uma significativacontribuição da transferência de 2n, provavelmente produzindo estados altamente excitados donúcleo de 122Sn. Estes estados devem decair por uma cascata de raios gama. Um projeto FAPESP

Tabela 1: Estados, amplitudes A e fatoresespectroscópicos S, e seções de choqueobtidas nos cálculos de canais acopladosde p-pickup e 2n-stripping.

Figura 6: Espectro gama em coincidência com partículas de Z = 3 (Li)espalhadas a 43∘ na reação de 7Li+120Sn a 24 MeV.

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(proc. 2013/22100-7, Prof. Rubens Lichtenthäler Filho) está em andamento,cujo objetivo é viabilizar medidas de coincidência das partículas α comraios gama dessa reação. As medidas requerem alta resolução em energia.Para isto será necessário construir um novo arranjo experimental (emandamento), e uma “parede” de galões de água borada, visando a blindagemdo elevado fluxo de nêutrons, produzidos pelo feixe sobre o alvo primário,de forma a proteger os detectores de GeHP. Parte dos objetivos do presenteprojeto é viabilizar novos tipos de medidas de coincidências gama-partículapara experimentos correlatos, mas cuja necessidade de alta resolução emenergia não seja tão imprescindível. Isto ocorre, em geral, nos casos em quea energia de excitação dos núcleos envolvidos é menor. Nestes casosdetectores cintiladores inorgânicos como LaBr3, NaI(Tl), CsI(Tl),LYSO(Ce) entre outros, também são opções interessantes. Dentre estes oLYSO(Ce) não é higroscópico, tem a maior eficiência de fotopico devido àsua alta densidade e número atômico efetivo elevado, além de custorelativamente baixo em comparação com o de LaBr3, o qual tem, em contrapartida, melhorresolução em energia.

3-Objetivos do projeto

Com os equipamentos solicitados no presente projeto será possível realizar medidas decoincidências partícula-partícula-gama com alta cobertura angular e granularidade, permitindo acaracterização das distribuições angulares e das energias relativas dos fragmentos e sua correlaçãocom os estados de excitação do núcleo alvo. Estas medidas seriam inéditas, pois desconhecemosequipamentos que permitam o mesmo tipo de medidas em outros laboratórios ao redor do mundo. Oobjetivo principal do projeto será portanto a realização destas medidas a diferentes energias (aoredor da barreira) e para diferentes regiões de massa, de forma a caracterizar os mecanismos dequebra precedidos ou não por transferências de partículas entre os núcleos participantes. Estasmedidas podem ser realizadas com feixes de núcleos estáveis (fracamente ligados) como 6,7Li, 9Be10B, abundantemente disponíveis no Acelerador Pelletron do IFUSP, o que facilita a obtenção dedados de alta significância estatística e precisão, ou de processos mais raros, com seções de choqueabaixo de 10 μb/sr. As medidas podem ser realizadas também com feixes radioativos como 6He e8Li, mesmo em presença de fortes campos magnéticos, como os produzidos pelo solenóidesupercondutor do sistema RIBRAS. Regiões de massas desde relativamente leves, com alvo de 28Siaté mais pesadas e deformadas com alvo de 154Sm poderão ser medidas. Este conjunto de medidasfornecerá dados aos físicos teóricos que possibilitarão o teste e avaliação de modelos e cálculosenvolvendo os processos de quebra de núcleos fracamente ligados, e sua conexão com aglomeradosde partículas α.

Outro objetivo do projeto é iniciar o desenvolvimento de detectores, arranjos experimentais,eletrônica associada e sistemas de aquisição de dados e métodos que serão importantes paradesdobramentos futuros do projeto, visando uma eficiência e granularidade crescentes do sistema,tanto para a detecção de partículas carregadas como raios gama. Para isto serão feitos testesparalelamente às medidas, relativos à caracterização dos detectores, opções de eletrônica de front-end (a que está diretamente em contato com os detectores) etc. Embora as medidas inicialmentepropostas sejam certamente viáveis com o equipamento já disponível no laboratório, além do queserá adquirido no projeto, estas mesmas medidas poderão se beneficiar dos desenvolvimentosinstrumentais que poderão ocorrer. Estes desenvolvimentos serão importantes também em conexãocom outros projetos que serão desenvolvidos no futuro, no próprio laboratório (como o projetoNossa Caixa, do qual o presente projeto pode ser considerado como a “Fase 1”), e em colaboraçãocom laboratórios do exterior como o projeto NUMEN (LNS/INFN – Catânia, Itália).

Figura 7: Fotomultiplicadora de Silício (SiPM) daSensl, com 4 × 4 pixels de 3,8 × 3,8 mm² cada.

4-Arranjos experimentais propostos

Para as medidas com feixes estáveis serão montados 16 telescópios ΔE-E formados porcintiladores plásticos tipo Phoswich semelhantes aos do espectrômetro atual [14], mas quadrados, eacoplados a fotomultiplicadoras de Silício (SiPM) (Figura 7) de 16 × 16 mm². Estasfotomultiplicadoras tem as vantagens de serem constituídas de 16 pixels (cada um com milhares desub-pixels de fotodiodos de avalanche), portanto permitindo a localização da posição de incidênciada partícula, e são insensíveis a campos magnéticos (permitindo sua utilização também emambientes de altos campos magnéticos como ao redor do solenóide supercondutor RIBRAS, coisaque não é possível com fotomultiplicadoras convencionais). Com isto será possível a formação deum sistema de alta granularidade (até 256 pixels, embora seja mais conveniente o agrupamento depixels em colunas com os 4 pixels aproximadamente na mesma posição angular, relativamente àdireção do feixe) e boa cobertura angular, necessárias para as medidas propostas. Este sistemapoderá ser montado dentro de uma câmara de espalhamento convencional (como as já existentes),com cada pixel cobrindo uma abertura angular de cerca de 5 graus a ~40 mm de distância mínimado alvo (9 msr). Os 16 detectores justapostos cobririam um intervalo angular de cerca de 80 graus.A esta distância a taxa de partículas incidentes sobre os detectores, particularmente em ângulosdianteiros, é muito alta, o que inviabilizaria a utilização de detectores de barreira de superfícieconvencionais. A vantagem do uso de cintiladores plásticos é justamente essa, pois são capazes desuportar altíssimas taxas de contagens sem se degradar, tendo alta durabilidade, e seu custo ésignificativamente inferior ao de detectores semicondutores de tamanho equivalente. Sua resoluçãoem energia porém, é menor. A necessidade de alta resolução é menos crítica em medidas decoincidência com raios gama, pois estes permitem selecionar e em muitos casos identificar osnúcleos envolvidos na reação pelas suas energias características. Por outro lado, como a eficiênciados espectrômetros gama é em geral baixa, torna-se conveniente a maximização da taxa decontagens nos experimentos.

Os detectores de raios gama, tanto cintiladores tipo LYSO(Ce) (a serem adquiridos) como osde GeHP (já existentes) seriam dispostos em volta da câmara de espalhamento como nas medidasrelatadas em [9]. Conforme já mencionado, nos casos em que há pouca densidade de picos gama noespectro de coincidências, não há necessidade de alta resolução em energia, e nesses experimentos,a alta eficiência e alta razão Fotoelétrico/Compton, aliada à sua boa resolução temporal (necessáriapara minimizar as coincidências casuais a altas taxas de contagens) dos cintiladores inorgânicos,torna-os vantajosos. Estes detectores podem ser feitos também em partes menores e independentes,de forma a minimizar o ângulo de abertura de cada parte, o que reduz as incertezas associadas àatenuação da distribuição angular gama que ocorre em detectores extensos, e torna o sistemamodular. Para isto serão adquiridos cristais de 16 × 16 × 50 mm³, que serão também acoplados aomesmo tipo de fotomultiplicadoras de Si dos detectores de partículas carregadas. Um conjunto de 3× 3 destes cristais (figura 8) teria uma eficiência de cerca de 80% relativamente a um NaI(Tl) de 3'× 3' (como comparação, os maiores detectores de GeHP que possuímos tem eficiência relativa de

60%, e um custo aproximado de 60.000 dólares). Adivisão em diversas partes independentes torna o sistemamais versátil e flexível, permitindo arranjos variados(como a disposição em anéis usada em tomógrafos PET)que podem ser otimizados para cada experimentoespecífico.

Para as medidas com feixes radioativos, devido àreduzida intensidade do feixe, serão detectores debarreira de superfície convencionais, entre outros, jádisponíveis no laboratório. Os telescópios tipo phoswichcom SiPM poderão também ser simultaneamenteutilizados, aumentando a cobertura angular e

Figura 8: Desenho ilustrativo de umdetector LYSO de 3 × 3 "pixels" de 16 ×16 × 50 mm² acoplados a SiPMs.

granularidade, podendo ser muito úteis nos casos em que não for necessária uma alta resolução emenergia. Os cintiladores inorgânicos serão utilizados em uma geometria compacta, de forma amaximizar a eficiência de detecção de raios gama do sistema. Cabe mencionar que estes detectorestem alta tolerância a radiação de nêutrons, ao contrário dos de GeHP que se degradariamrapidamente na ausência de uma blindagem de alta eficiência – isto também limita a eficiência dedetecção dos GeHP, uma vez que é necessária uma distância mínima ao alvo para permitir umablindagem adequada. Planeja-se também a utilização de detectores de multi-eletrodos de silício,associados à eletrônica e sistemas de aquisição de dados multi-canal, que constam no rol deequipamentos do laboratório, e cuja instalação junto ao RIBRAS está em desenvolvimento. Osdetetores de multi-eletrodos de silício (DSSSD) também possuem uma área ativa grande,comparada com os detetores convencionais, de barreira de superfície. Além disso, estes detectorestambém podem ser divididos em pixels, com dimensões da ordem de 3 mm, sendo que vários pixels,somados, podem definir um mesmo ângulo de espalhamento, e assim, os produtos de uma reaçãonuclear podem ser medidos em vários ângulos, com um único detetor. Como a intensidade do feixeradioativo é muito inferior ao de feixes estáveis, não há grandes preocupações com altas taxas decontagens, sobretudo a ângulos de espalhamento relativamente grandes. Desta forma, é possívelmedir seções de choque de reação nunca antes medidas, com seleção de raios gama e boa resoluçãona energia das partículas.

5-Eletrônica associada

Atualmente estão disponíveis nolaboratório 4 QDC's (Digitalizadores deCarga) da norma CAMAC, sendo 2 de 16canais e 2 de 12 canais, que serãoutilizados para a aquisição dos dados doscintiladores phoswich e dos cintiladoresLYSO, respectivamente. Quando não fornecessária a informação de pixels de cadadetector, cada canal pode ser utilizadoseparadamente, um para cada SiPM, oumesmo para um conjunto de SiPMs noscasos dos cintiladores LYSO. Quando forexigida a utilização de um grande númerode pixels será necessária a multiplexagemdos pulsos. As técnicas de multiplexagem são bem conhecidas, e foram desenvolvidas, porexemplo, para aquisição de dados de tomógrafos PET (vide ref. [15]), que também utilizam SiPMs,e para os quais, justamente, foram inicialmente desenvolvidos estes dispositivos. Para isto serãonecessários alguns componentes eletrônicos que constituirão o circuito de leitura multiplexada,como diodos Shotkky utilizados para isolamento dos ruídos eletrônicos produzidos em diferentesSiPMs de uma mesma linha, e resistores. Com o sistema de multiplexagem será possível otimizar oaproveitamento dos diversos canais de conversão dos QDCs, permitindo a aquisição simultânea deaté 100 pixels, ou mesmo mais, dependendo do sistema de multiplexagem adotado. Há também 2TDC (Digitalizadores de tempo) para as medidas de coincidências. Estes módulos também podemser incorporados ao sistema de multiplexagem pela técnica de linha de atraso [16], ou como descritoem [17]. Um outro sistema eletrônico (norma VME) com 96 canais de ADC's está tambémdisponível no Laboratório mas sua utilização ainda aguarda o desenvolvimento do software deaquisição, em andamento. Não estamos solicitando, portanto, novos módulos eletrônicos nesteprojeto.

Figura 9: Figura simulação de Monte-Carlo doespectro de um cintilador LYSO (de 3 × 3 pixels)para ilustrar a resolução dos picos da bandarotacional do 154Sm (5 keV/canal) (E* 3.7 MeV).

6-Experimentos propostos

Muitos experimentos podem ser realizados com este equipamento. Para uma caracterizaçãoextensiva dos processos de BU seria interessante estudar diversas combinações de alvos disponíveisno laboratório e feixes estáveis e instáveis, por exemplo, 28Si, 46Ti, 120Sn e 154Sm (alvos) e 6,7Li, 9Be(feixes estáveis fracamente ligados) e 6He, 8Li (feixes radioativos). A limitação principal pararealização de tantos experimentos (somente estas já formam 20 combinações, embora nem todassejam combinações favoráveis em termos de simplicidade do espectro gama, e portanto adequadasao uso de cintiladores inorgânicos) é de tempo de uso do acelerador e de pessoal, particularmenteestudantes de pós-graduação. Por esta razão alguns principais experimentos são escolhidos para oprograma de medidas com utilização do equipamento:

Inicialmente propõe-se a medida da reação de 7Li + 120Sn ao redor da barreira, comorealizado no trabalho de V.A.B. Zagatto [10]. Trata-se de uma reação já bem conhecida e estudadano Laboratório, portanto permitirá caracterizar o bom funcionamento do equipamento, e além disso,contribuir para o esclarecimento dos processos de transferência seguida de quebra do ejétil, pelamedida simultânea dos fragmentos, o que se verificou necessário pela medidas que foramanteriormente realizadas, com detectores de GeHP e cintiladores plásticos do sistema ancilar doespectrômetro (com fotomultiplicadoras convencionais).

A reação de 9Be + 154Sm seria a próxima a ser realizada, pelo interesse em investigar o efeitoda deformação do alvo sobre os mecanismos de reação. Uma grande vantagem da técnica de raiosgama utilizada é justamente permitir o estudo de estados com baixa energia de excitação, muitodifíceis de medir somente com detectores de partículas carregadas. Nesta reação será possívelestudar a relação da seção de choque de quebra inelástica com a energia de excitação e momentoangular através da medida dos primeiros estados excitados da banda rotacional do alvo.

Com o solenóide supercondutor RIBRAS deveremos iniciar os experimentos com a reaçãode 8Li + 154Sm. Será interessante estudar a transferência de 2 nêutrons populando estados do 156Sm,com ou sem a quebra do ejétil (6Li). Para esta reação em particular, o Q ótimo (nulo, já que se tratade uma transferência de nêutrons) corresponde a uma energia de excitação relativamente baixa(~3.7 MeV) do núcleo de 156Sm, o que contribui para reduzir a complexidade do espectro gama. Afigura 9 ilustra uma simulação (preliminar) para uma medida do espectro de raios gama com um(único) detector LYSO (resolução de ~8% FWHM, formado por conjunto de 3 × 3 “pixels” de 16× 16 mm², como já mencionado anteriormente), supondo a população dos estados do 154Sm ao redorde 3.7 MeV (a rigor as transições deveriam ser as do 156Sm, mas o resultado geral seria semelhante).Nota-se que o espectro apresenta pouco fundo Compton, e seria possível uma boa discriminação porregiões de energia e momento angular, fazendo-se cortes nas energias das transições gama.

Pretendemos incorporar o número maior possível de estudantes de pós-graduação, pelomenos mais 2, para viabilizar os experimentos e análises de outras combinações de alvo e feixe. Emtodos os experimentos serão medidos os processos inelásticos e de transferências, as distribuiçõesangulares e os espectros de energia relativa entre os fragmentos de quebra dos ejéteis, emcoincidência com raios gama.

7-Conexões com outros projetos

Projetos com utilização do sistema RIBRAS

Alguns projetos tem sido desenvolvidos no Laboratório em conexão com o sistema RIBRASpara produção de feixes radioativos. Os projetos FAPESP 2010/11729-3 de L. Gasques (“Medidasde espalhamento quase-elástico em energias em torno e muito acima da barreira coulombiana”), e2012/20158-5 (professor visitante M.A.G. Alvarez), resp. Prof. R. Lichtenthäler Filho ("Instalaçãode um sistema de medidas e análises de reações nucleares com núcleos exóticos do RIBRAS").

Estes projetos incluíram a compra dos telescópios DSSSD (citados) e eletrônica associada, e toda amontagem da câmara de reações que está instalada depois do segundo solenóide (montagem dospratos giratórios, tratamento de ruído, novos detectores, novos cabos, caixa de Faraday eeletrônica). Além destes, encontram-se em andamento os projetos MCTI/CNPq Universal 14/2014Processo 447085/2014-0 de M.A.Alvarez ("Desenvolvimento de instrumentação para medidas dereações nucleares"), e 443519/2014-5 de L. Gasques (“Um estudo completo dos canais de reaçãopara sistemas envolvendo núcleos fracamente ligados”). Com este último projeto planeja-se adquirirum pré-amplificador e um digitalizador com 8 canais. No momento há um outro professor visitante(Ivan Padron, também projeto FAPESP 2015/21782-2, resp. Prof. A. Lepine) que deverá colocar emoperação um sistema de detecção de nêutrons (“muro”). Estes equipamentos deverão auxiliar aimplementação do presente projeto.

Há ainda o projeto FAPESP já mencionado (proc. 2013/22100-7, Resp.: Prof. R.Lichtenthäler Filho) de outro grupo com o qual colaboramos, que também visa as medidas emcoincidência gama-partícula, em andamento no Laboratório, mas utilizando detectores de GeHP, dealta resolução. Como mencionado na seção anterior, os detectores cintiladores para detecção deraios gama e de partículas carregadas a serem adquiridos com o presente projeto serão usados emexperimentos com o solenóide supercondutor RIBRAS, complementando o sistema de detecção eexpandindo suas possibilidades para outros casos, nos quais a eficiência de detecção é maisimportante que a resolução em energia (como é o caso do experimento mencionado na seçãoanterior). Em um mesmo experimento, porém, diferentes canais de reação podem ter diferentescaracterísticas que exigem os diferentes tipos de detectores de raios gama. Ambos os projetos,portanto, se complementam e beneficiam mutuamente.

Projeto Nossa Caixa

O sistema que está sendo proposto tem características modulares, o que o torna versátil eexpansível. Havendo motivação científica e recursos, mais detectores podem ser incorporados nofuturo (nesse caso também seria necessário suplementar a eletrônica) até o limite (em princípio) decobertura angular 4π, tanto para detecção de raios gama como de partículas carregadas. Com acobertura angular de 4π o espectrômetro gama funcionaria no modo “calorímetro” em quepraticamente toda a energia é absorvida, determinando a energia de excitação do sistema. A ideiadesse projeto já havia essencialmente surgido há algum tempo no Laboratório (sob nome de NossaCaixa – e, inicialmente, com cobertura 4π proposta somente para os detectores de partículascarregadas). Porém, sabia-se que seria prematuro partir diretamente para um projeto tão grande. Opresente projeto terá portanto a importância de apontar com mais certeza e objetividade aviabilidade e a conveniência da elaboração deste projeto maior.

Projeto NUMEN

O projeto NUMEN (Determining the Nuclear Matrix Elements of Neutrinoless Double BetaDecays by Heavy-Ion Double Charge Exchange Reactions) [18-19] está sendo desenvolvido nosLaboratori Nazionai del Sud (LNS), INFN (Catania, Itália). É um projeto de grande envergadura eenvolve a medida de reações nucleares de dupla troca de carga com utilização do espectrômetroMAGNEX. O projeto é liderado pelo Prof. Francesco Cappuzzello e seu grupo, com o qualmantemos colaborações, no âmbito de um convênio acadêmico de cooperação internacional(IFUSP/IFUFF/INFN), do qual sou coordenador no Brasil. O projeto é previsto para um longoprazo e com grandes desafios tecnológicos como a ampliação da corrente de feixe do CiclotronSupercondutor de um fator da ordem de 100 em comparação com a atual. Nas fases mais avançadasdo projeto, planeja-se também a construção de um espectrômetro gama, na forma de um calorímetrocom alta granularidade, provavelmente constituído de cintiladores LYSO(Ce), para medida de

coincidências gama-partícula (neste caso os íons pesados detectados no plano focal do MAGNEX).Há portanto uma semelhança entre os dois projetos, e a experiência adquirida no presente projetocertamente terá grande utilidade na colaboração, bem como algumas soluções, sobretudo para oscircuitos eletrônicos de front end, podem ser compartilhadas. O intercâmbio de pesquisadores entreos dois laboratórios portanto trará grandes benefícios para os dois projetos.

8-Resultados esperados

Como resultado do desenvolvimento do arranjo experimental, e dos 3 experimentosinicialmente propostos, estima-se que sejam publicados pelo menos 2 trabalhos na revista NuclearInstruments and Methods (ou equivalente) e 3 a 6 trabalhos em revistas como Phys. Rev. C, J. Phys.G, ou Nucl. Phys. A, relativos ao estudo dos processos de quebra com ou sem transferências departículas. Havendo mais alunos de pós-graduação envolvidos, esses números certamenteaumentariam, além da produção das teses e dissertações correspondentes. A experiência adquiridacom o desenvolvimento do projeto também será de grande importância para o fortalecimento dascolaborações com diferentes grupos, locais e internacionais.

9-Desafios tecnológicos

A utilização dos equipamentos solicitados seria inédita no Laboratório. A construção dosdetectores, particularmente os cintiladores LYSO com SiPM, por si só, já apresenta desafios paraque seja obtida a melhor resolução em energia possível. Uma estimativa relativamente conservadoraseria cerca de 10% (FWHM). Os melhores resultados publicados encontram-se em torno de 8%, enosso objetivo será o de nos aproximarmos desta marca. Não descartamos porém a possibilidade desuperá-la. Para isto poderá ser necessário estudar detalhadamente o comportamento dos detectores,e utilizar as informações independentes dos diferentes pixels de forma a rastrear o processo deinteração gama com os cristais.

Outro aspecto desafiante é a elaboração de um sistema de multiplexagem que permita amaior quantidade possível de informações independentes de cada pixel, minimizando a degradaçãodas resoluções em energia e tempo. Diversas soluções são propostas na literatura, e pretendemosnão somente investigar as diferentes possibilidades, mas também contribuir com novas soluções emelhoramentos das já existentes. Os sistemas de multiplexagem são amplamente utilizados emtomógrafos PET que se utilizam de SiPMs (bem como os com multiplicadoras convencionais).Trata-se de um tema de grande importância tecnológica para a física médica. Não raro soluções delaboratórios de pesquisa, cuja perspectiva é um pouco diferente da voltada diretamente paraaplicações, podem abrir novos caminhos e possibilidades para o desenvolvimento de soluçõescomercias. Atentaremos para estas possibilidades.

Como já mencionado, o projeto poderá fundamentar projetos mais ambiciosos no própriolaboratório ou nos com os quais colaboramos. Diversas questões em aberto poderão ser respondidaspelo projeto de pequeno porte atual. Entes elas podemos citar:

- Como realizar a dissipação térmica dos componentes eletrônicos dentro de uma câmara dealto vácuo? Devido a ausência de contato com o ar, é claramente mais difícil realizar a dissipaçãotérmica da potência gerada pelos componentes. As SiPMs consomem potências muito baixas, masparte da eletrônica de front-end (ou toda) e a de multiplexagem, devem estar dentro do sistema devácuo. Cogita-se, para resfriar os circuitos, a utilização de células Peltier, acopladas a condutorestérmicos que transportariam o calor para fora da câmara. Isto permitiria controlar a temperatura doscomponentes, cuja estabilidade é também importante para a manutenção da resolução e outrascaracterísticas dos SiPMs.

- Seria possível colocar também os detectores LYSO em vácuo? Dependendo das respostasda questão anterior, pode-se investigar esta possibilidade, que aumentaria a versatilidade do sistema,

particularmente para possíveis versões aumentadas do projeto, uma vez que seria possível colocartodo o sistema de detecção dentro de uma câmara de vácuo, o que facilitaria seu projeto e eliminariaa absorção devida às paredes da câmara. Esta possibilidade seria de interessante investigação.

- Qual é a melhor forma de configurar o sistema de aquisição, de forma a reduzir o tempomorto e evitar falhas a altas taxas de contagens? Esta questão está associada à escolha do sistema demultiplexagem. Os limites técnicos não são facilmente determináveis a priori, pois muitas vezes osequipamentos não se comportam segundo seus modelos idealizados.

Somente em testes experimentais será possível estabelecer quais as melhores soluçõestécnicas para estas e outras questões que poderão surgir durante a execução do projeto.

10-Cronograma de execução

Mêses a partir do início das atividades

Tarefa

1-3 Aquisição dos equipamentos

4-5 Testes dos equipamentos individuais e projetos dos circuitos eletrônicos

5-6 Montagem dos equipamentos em conjunto e testes

7-8 Testes das montagens completas e do sistema de multiplexagem

9-10 Primeiros testes com feixe

10-12 Medidas da reação de 7Li + 120Sn

13-14 Análise das medidas da reação 7Li + 120Sn

15-16 Publicações dos resultados

17-20 Medidas das reações de 9Be + 154Sm e 8Li + 120Sn

20-22 Análise dos resultados

23-24 Publicações dos resultados.

11-Disseminação e avaliação

Além da própria produção científica esperada, em termos de trabalhos de conclusão eartigos, os resultados parciais ou finais serão apresentados em conferências e seminários, como temsido feito regularmente pelos membros do grupo. Além disso, os problemas e soluções serãodiscutidos em viagens de colaboração científica, o que também constitui uma importante forma dedisseminação dos conhecimentos. Pretende-se incorporar também alunos de iniciação científica,visto que diversas partes menores do projeto podem ser desenvolvidas por eles. A avaliação doprojeto será feita através de todos estes meios, que incluem artigos e apresentações em conferênciae relatórios de trabalhos realizados pelos alunos dos diferentes níveis.

12-Outros apoios

Está sendo feito um pedido (chamada Universal CNPq – faixa de R$ 60.000,00) semelhanteao presente pedido, embora em escala mais reduzida, e mais focado no desenvolvimento técnico dosequipamentos e métodos. Os dois projetos foram concebidos de forma que, embora independentes(poderiam ser executados sem a aprovação simultânea dos dois projetos), se complementem e sepotencializem mutuamente.

Bibliografia

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ORÇAMENTOItem Valor US$ Quantidade Total (US$)Material importadoCristal LYSO (16x16x50mm²) $800,00 18 $14.400,00SiPM (4x4 pixels) $408,00 34 $13.872,00Batidor NIM $2.100,00 1 $2.100,00Passador Vácuo 50 pinos $600,00 2 $1.200,00Soquetes HIROSE $1,47 68 $99,96

ST US$ $31.671,96

Câmbio(1US$) R$ 4,00Valor em R$ R$ 126.687,84

Material nacionalMultímetro de precisão R$ 250,00 1 R$ 250,00Fontes DC R$ 2.000,00 2 R$ 4.000,00ConsumoShottky Diodes R$ 0,80 1500 R$ 1.200,00Componentes Eletrônicos R$ 1.000,00Mat. P/ usinagem de peças R$ 2.000,00Serviços de terceiros R$ 4.000,00

ST R$ R$ 12.450,00TOTAL R$ 139.137,84