Extension of the activation method in nuclear astrophysics research  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
108459
Type K
Principal investigator Gyürky, György
Title in Hungarian Az aktivációs módszer kiterjesztése nukleáris asztrofizikai kutatásokban
Title in English Extension of the activation method in nuclear astrophysics research
Keywords in Hungarian nukleáris asztrofizika, hatáskeresztmetszet-mérések, aktivációs módszer
Keywords in English nuclear astrophysics, cross section measurement, activation method
Discipline
Nuclear Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Physics
Department or equivalent Laboratory of Ion Beam Physics (Institute for Nuclear Research, Hungarian Academy of Sciences)
Participants Csedreki, László
Elekes, Zoltán
Fülöp, Zsolt
Halász, Zoltán
Kiss, Gábor
Mohr, Peter
Somorjai, Endre
Szücs, Tamás
Török, Zsófia
Starting date 2013-09-01
Closing date 2018-08-31
Funding (in million HUF) 18.240
FTE (full time equivalent) 15.80
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A kutatások fő célja az aktivációs módszer kiterjesztése asztrofizikailag jelentős magreakciók hatáskeresztmetszetének mérése esetén. Az aktivációs technika alkalmazása számos esetben bizonyult igen hasznosnak, amikor a nukleáris asztrofizikában általában tapasztalt alacsony hatáskeresztmetszetek mérése, illetve a zavaró háttérsugárzás minél hatékonyabb csökkentése a cél. Az Atomkiban eddig is sikerrel alkalmazott aktivációs módszer több irányban is kiterjeszthető, s ez a jelenlegi projekt célja. Néhány példa a módszer kiterjesztésére: a karakterisztikus röntgen sugárzás felhasználása, pozitronbomló izotópok esetén az annihilációs sugárzás detektálása, vastagcéltárgy-hozamok mérése aktivációval, az AMS technika alkalmazása hosszú felezési idejű izotópok esetén, (p,alfa) reakciók vizsgálata a nehéz elemek tartományában.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kísérletek célja, hogy hatáskeresztmetszet-adatokat szolgáltasson olyan magreakciók esetén, ahol korábban nem álltak rendelkezésre adatok, vagy a meglevő adatok pontosítása, ellenőrzése szükséges. A nukleáris asztrofizika több különböző részterületét érintik a vizsgálatok, s ezáltal a csillagok energiatermelésének illetve az elemszintézis különböző folyamatainak a jobb megértéséhez kívánunk hozzájárulni a kísérleteinkkel. Az egyik ilyen folyamat a természetben található nehéz, protongazdag izotópok szintéziséért felelős p-folyamat, mely egyike az elemszintézis legkevésbé ismert folyamatainak. Ehhez a folyamathoz kapcsolódóan fogunk proton és alfa-indukált hatáskeresztmetszeteket mérni aktivációs módszerrel. E méréseket kiegészítendő, rugalmas alfa-szórási méréseket is tervezünk, melyekkel a modellek szempontjából kiemelten fontos alfa-mag optikai potenciált kívánjuk pontosítani. Szintén tervezzük a korai naprendszerben jelenlevő 36Cl izotóp keletkezéséért felelős magreakciók vizsgálatát. Szoros kapcsolatban a LUNA nemzetközi együttműködéssel különböző, a hidrogénégési folyamatokban szerepet játszó reakciók vizsgálata is a célunk.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A nukleáris asztrofizika a csillagokban zajló magreakciókat vizsgálja, s így teljes mértékben alapkutatásnak tekinthető. Közvetlen társadalmi hasznosíthatóságról tehát nem beszélhetünk, a kutatások egy interdiszciplináris tudományterület, a csillagászatot és az atommagfizikát összekapcsoló nukleáris asztrofizika folyamatainak jobb megértéséhez járulnak hozzá. A projekt célja az aktivációs módszer kiterjesztése, s így jelentős módszertani, technikai fejlesztéseket vetít előre. Ezek a módszerek, amennyiben sikeresnek bizonyulnak, később más területeken is hasznosíthatók lehetnek, így a projekt túlmutat a közvetlen asztrofizikai alkalmazásokon és új perspektívát nyithat meg a magfizikai alapkutatásban.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A nukleáris asztrofizika az a tudományág, melynek célja a csillagokban zajló magfizikai folyamatok megértése és így a csillagok energiatermelésének valamint a világunkat alkotó anyag eredetének magyarázata. Az univerzumot felépítő kémiai elemek különböző csoportjai számos különböző asztrofizikai folyamat során jönnek létre. Pontos megértésükhöz a bennük lezajló magreakciókat kell vizsgálni, ami azonban kísérletileg igen nehéz feladat, mert a csillagokban zajló folyamatok igen kis valószínűségűek. A kísérletek sikeres elvégzésének egy lehetséges módja az aktivációs technika alkalmazása. Ez a módszer akkor használható, ha egy magreakcióban radioaktív izotóp keletkezik. Ezt a módszert, melyet már sikeresen alkalmaztunk asztrofizikai kutatásokra az elmúlt években, kívánjuk több irányban továbbfejleszteni. Célunk, hogy a továbbfejlesztett aktivációs módszer segítségével több különböző asztrofizikai folyamat szempontjából fontos magreakciókat vizsgáljunk, s így hozzájáruljunk e folyamatok jobb megértéséhez.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The main aim of the project is the extension of the activation method in nuclear astrophysics research. The activation method has proved to be very successful in nuclear astrophysics when extremely low cross sections are to be measured and when the efficient reduction of disturbing background is of high importance. The activation technique, which was applied in various experiments in ATOMKI recently, can be extended in various directions, which is planned in the presently proposed research project. A few examples of the possible extensions: detection of the characteristic X-ray emission, detection of the annihilation radiation from positron emitters, thick target yield measurement with activation, the application of the AMS method, study of (p,alpha) reactions with activation.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The aim of the experiments is to provide cross section data for astrophysically important reactions where no data are available in the literature or it is necessary to check or supplement the available data. Measurements will be carried out in various sub-fields of nuclear astrophysics with the aim of contributing to the better understanding of the energy generation and nucleosynthetic processes of stars. One of the processes to be studied is the astrophysical p-process which is responsible for the production of heavy, proton-rich isotopes, and which is one of the least understood processes of nucleosynthesis. Proton and alpha-induced reaction cross sections relevant for the p-process will be measured with the activation technique. In order to improve our knowledge of the alpha-nucleus optical potential which is a very important ingredient in p-process related model calculations, alpha elastic scattering experiments will also be carried out. It is also planned to study reactions leading to the production of the long-lived radionuclide 36Cl, which was present in the early solar system. In close connection with the international LUNA collaboration, reactions playing key role in different hydrogen burning processes will also be investigated.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

In nuclear astrophysics nuclear reactions taking place in stars and other astrophysical environments are studied and thus it is a basic science without any direct application possibility and benefit for the public. This interdisciplinary science, which connects nuclear physics with astrophysics, provides, however, the possibility that processes taking place in the universe are understood. The aim of the present project is to extend the application of the activation method in nuclear astrophysics research and thus significant methodological developments are anticipated. These methods, if proved to be successful, may find their application in fields other than nuclear astrophysics.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

The aim of nuclear astrophysics is the understanding of those nuclear processes which take place in starts and contribute to the energy generation and to the synthesis of chemical elements which build up our universe. Different groups of chemical elements are thought to be produced in several different astrophysical processes in stars. For a better understanding of these processes the involved nuclear reactions need to be studied. The experimental study of these reactions is, however, typically very difficult owing to the extremely low probability of these reactions under stellar conditions. One possible way of implementing the experiments is the application of the activation method. This method, which can be used if the isotopes produced in a reaction is radioactive, was successfully applied in recent years in nuclear astrophysics research at ATOMKI. Our aim is to extend the applicability of this method in nuclear astrophysics research. With the activation technique nuclear reactions relevant in different astrophysical processes will be studied contributing to the better understanding of these processes.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A projekt keretében számos, a nukleáris asztrofizika különböző részterületein lényeges magreakció hatáskeresztmetszetét mértük meg. A mérések között az asztrofizikai motiváción kívül a kapcsolatot az aktivációs módszer használata teremti meg. A korábban széles körben alkalmazott technikát az asztrofizikai mérések kívánalmainak megfelelően terjesztettük ki. Az asztrofizikai p-folyamat vizsgálatában a hagyományos gamma-detektálás mellett röntgen-detektálást és vastagcéltárgy-hozam mérést alkalmaztunk. Hosszú felezési idejű izotópra vezető reakciók esetén az AMS (Accelerator Mass Spectrometry) módszert is használtuk a hatáskeresztmetszet meghatározására. A hidrogénégés kulcsreakcióinak vizsgálatát a reakciótermékek pozitronbomlását követő annihilációs sugárzás detektálásával végeztük. A tanulmányozott mintegy két tucat reakció mindegyike esetén a mért hatáskeresztmetszeteket összehasonlítottuk elméleti számítások jóslataival és levontuk az asztrofizikai következtetéseket (a legutóbb végzett mérések esetén az analízis még folyamatban van). Mivel az MTA Atommagkutató Intézet új Tandetron gyorsítóján végzett első kísérlet a jelen projekt része volt, így a gyorsító energiahitelesítését is elvégeztük a kutatómunka keretében.
Results in English
In this project the cross sections of several astrophysically relevant nuclear reactions were measured. Besides the astrophysical motivation the common feature of these experiments was the application of the activation method. This well known technique was extended in various ways according to the special needs of the astrophysical reactions. In the study of the astrophysical p-process, besides the typical gamma-detection, X-ray detection and thick target yield measurements were also applied. In the case of long-lived residual nuclei of certain reactions, the advantages of the AMS (Accelerator Mass Spectrometry) method were exploited. For the study of some key reactions of hydrogen burning the detection of the annihilation radiation following the positron decay of the reaction product was used. For all the (roughly two dozen) studied reactions the measured cross sections were compared with the predictions of theoretical calculations and the astrophysical conclusions were drawn (the analysis of some of the most recent experimental results is still ongoing). The first experiment on the new Tandteron Accelerator of the host institute was part of the present project. Therefore, the precise energy calibration of the accelerator was also carried out in the framework of this project.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108459
Decision
Yes





 

List of publications

 
Szücs T, Bemmerer D, Reinhardt TP, Schmidt K, Takács MP, Wagner A, Wagner L, Weinberger D, Zuber K: Cosmic-ray–induced background intercomparison with actively shielded HPGe detectors at underground locations, European Physical Journal A 51, 33, 2015, 2015
A. Ornelas, D. Galaviz, Gy. Gyürky, G. Kiss, Zs. Fülöp, E. Somorjai, T. Szücs, M.P. Takács, P. Mohr, R.T. Güray, Z. Korkulu, N. Özkan, C. Yalcın: a-Scattering Experiment on 64Zn and the low energy a-nucleus optical potential, Proceedings of Science, 2015
Gy. Gyürky, Z. Halász, T. Szücs, G. G. Kiss, Zs. Fülöp: An ERC Starting Grant project on p-process nucleosynthesis concluded, Journal of Physics: Conference Series 665 (2016) 012033, 2016
G. G. Kiss, T. Szücs, P. Mohr, Zs. Fülöp, Gy. Gyürky, Z. Halász, R. F. Soha, E. Somorjai, A. Ornelas, D. Galaviz, C. Yalcin, R. T. Güray, N. Özkan: High precision elastic alpha scattering on the even-odd 115In nucleus at low energies, Journal of Physics: Conference Series 665 (2016) 012035, 2016
Z. Korkulu, N. Özkan, G. G. Kiss, T. Szücs, Zs. Fülöp, R. T. Güray, Gy. Gyürky, Z. Halász, E. Somorjai, Zs. Török, C. Yalcin: Alpha capture reaction cross section measurements on Sb isotopes by activation method, Journal of Physics: Conference Series 665 (2016) 012042, 2016
O Nusair, W. Bauder, Gy. Gyürky, M. Paul, P. Collon, Zs. Fülöp, J. Greene, N. Kinoshita, T. Palchan, R. Pardo , K. E. Rehm , R. Scott , R. Vondrasek: Accelerator Mass Spectrometry in Laboratory Nuclear Astrophysics, Journal of Physics: Conference Series 665 (2016) 012076, 2016
T. Szücs, G.G. Kiss, T. Rauscher, Zs. Török, Z. Halász, Zs. Fülöp, Gy. Gyürky, E. Somorjai: Cross section measurements for gamma-process studies using a LEPS detector, Journal of Physics: Conference Series 665 (2016) 012041, 2016
T. Szücs, D. Bemmerer, T.P. Reinhardt, K. Schmidt, M.P. Takács, A. Wagner, L. Wagner, D. Weinberger, K. Zuber: Cosmic-ray–induced background intercomparison with actively shielded HPGe detectors at underground locations, European Physical Journal A 51 (2015) 33, 2015
P. Mohr: Nucleosynthesis of 92Nb and the relevance of the low-lying isomer at 135.5 keV, PHYSICAL REVIEW C 93 (2016) 065804., 2016
T. Szücs, D. Bemmerer, A. Caciolli, Zs. Fülöp, R. Massarczyk, C. Michelagnoli, T.P. Reinhardt: Determination of gamma-ray widths in 15N using nuclear resonance fluorescence, PHYSICAL REVIEW C 92 (2015) 014315, 2015
Z. Halász, E. Somorjai, Gy. Gyürky, Z. Elekes, Zs. Fülöp, T. Szücs, G.G. Kiss, N. Szegedi, T. Rauscher, J. Görres, M. Wiescher: Experimental study of the astrophysical gamma-process reaction 124Xe(alpha,gamma)128Ba, Physical Review C in press., 2016
Gy Gyürky, A Ornelas, G G Kiss, Z Halász, T Szücs, Zs Fülöp: Towards a Total Cross Section Measurement of the 14N(p, γγ)15O Reaction by Activation, JPS CONF PROC 14: , 2017
Gyürky Gy, Ornelas A, Fülöp Zs, Halász Z, Kiss G G, Szücs T, Huszánk R, Hornyák I, Rajta I, Vajda I: Cross section measurement of the astrophysically important 17O}(p,gamma)18F reaction in a wide energy range, PHYS REV C 95: (3), 2017
Mohr P, Gyürky G, Fülöp Z: Statistical model analysis of α -induced reaction cross sections of Zn 64 at low energies, PHYS REV C 95: (1), 2017
Ornelas A, Mohr P, Gyürky G, Elekes Z, Fülöp Z, Halász Z, Kiss GG, Somorjai E, Szücs T, Takács MP, Galaviz D, Güray RT, Korkulu Z, Özkan N, Yalçln C: α scattering and α -induced reaction cross sections of Zn 64 at low energies, PHYS REV C 94: (5), 2016
Gyürky Gy, Fülöp Zs, Halász Z, Kiss GG, Szücs T : Nuclear physics uncertainties of the astrophysical γ -process studied through the 64 Zn(p, α ) 61 Cu and 64 Zn(p, γ ) 65 Ga reactions, J PHYS CONF SER 940: (1) Paper 012005. , 2018
Kiss G G, Szücs T, Mohr P, Török Zs, Huszánk R, Gyürky Gy, Fülöp Zs: α-induced reactions on 115In: Cross section measurements and statistical model analysis, PHYS REV C 97: (5) Paper 055803. 16 p. , 2018
Korkulu Z, Özkan N, Kiss G G, Szücs T, Gyürky Gy, Fülöp Zs, Güray R T, Halász Z, Rauscher T, Somorjai E, Török Zs, Yalçın C: Investigation of α -induced reactions on Sb isotopes relevant to the astrophysical γ process, PHYS REV C 97: (4) Paper 045803. 10 p. , 2018
Rajta I, Vajda I, Gyürky Gy, Csedreki L, Kiss ÁZ, Biri S, van Oosterhout HAP, Podaru NC, Mous DJW: Accelerator characterization of the new ion beam facility at MTA Atomki in Debrecen, Hungary, NUCL INSTRUM METH A 880: pp. 125-130., 2018
Szücs T, Kiss GG, Gyürky G, Halász Z, Fülöp Z, Rauscher T: Cross section of α-induced reactions on iridium isotopes obtained from thick target yield measurement for the astrophysical γ process, PHYS LETT B 776: pp. 396-401., 2018
Gy Gyürky, A Ornelas, G G Kiss, Z Halász, T Szücs, Zs Fülöp: Towards a Total Cross Section Measurement of the 14N(p, γγ)15O Reaction by Activation, JPS CONF PROC 14: Paper 020403. 3 p. , 2017
Gyürky Gy , Csik A, Mátyus Zs, Fülöp Zs, Halász Z, Kiss G G , Szücs T, Wagner L, Bemmerer D: Target characterizations for a 14N(p,γ)15O cross section measurement, EPJ WEB CONF 165: Paper 01027. 4 p. , 2017
Kiss GG, Mohr P, Fülöp Zs, Rauscher T, Gyürky Gy, Szücs T, Halász Z, Somorjai E, Ornelas A, Yalcin C, Güray RT, Özkan N: High precision 113In(a,a)113In elastic scattering at energies near the Coulomb barrier for the astrophysical gamma process, PHYSICAL REVIEW C 88, 045804, 2013
Di Leva A, Scott DA, Caciolli A, Formicola A, Strieder F, Aliotta M, Anders M, Bemmerer D, Broggini C, Corvisiero P, Elekes Z, Fülöp Zs, Gervino G, Guglielmetti A, Gustavino C, Gyürky Gy, Imbriani G, José J, Junker M, Laubenstein M, Menegazzo R, Napolitani E, Prati P, Rigato V, Roca V, Somorjai E, Salvo C, Straniero O, Szücs T, Terrasi F, Trezzi D: Underground study of the 17O(p,gamma)18F reaction relevant for explosive hydrogen burning, PHYSICAL REVIEW C 89, 015803, 2014
Gyürky Gy, Vakulenko M, Fülöp Zs, Halász Z, Kiss GG, Somorjai E, Szücs T: Cross section and reaction rate of 92Mo(p,gamma)93Tc determined from thick target yield measurements, Nuclear Physics A 922, 112., 2014
Kiss GG, Szücs T, Török Zs, Fülöp Zs, Gyürky Gy, Halász Z, Somorjai E, Rauscher T: Measurement of alpha-induced reaction cross sections on erbium isotopes for process studies, AIP Conference Proceedings 1594, 196, 2014
Kiss GG, Szücs T, Rauscher T, Török Zs, Fülöp Zs, Gyürky Gy,Halász Z, Somorjai E: Alpha induced reaction cross section measurements on 162Er for the astrophysical gamma process, Physics Letters B 735, 40., 2014
Yalcin C, Gyürky Gy, Halász Z, Szücs T, Güray R T, Kiss G G, Fülöp Zs, Özkan N, Somorjai E: Half-life measurements of the 144Pm isotope with gamma-spectroscopy, Journal of Physics: Conference Series 590 (2015) 2039., 2015
Yalcin C, Gyürky Gy, Rauscher T, Kiss G G, Özkan N, Güray R T, Halász Z, Szücs T, Fülöp Zs, Farkas J, Korkulu Z, Somorjai E: Test of statistical model cross section calculations for alpha-induced reactions on 107Ag at energies of astrophysical interest, Physical Review C 91 (2015) 034610, 2015
Ornelas A, Kiss G G, Mohr P, Galavíz D, Fülöp Zs, Gyürky Gy, Máté Z, Rauscher T, Somorjai E, Sonnabend K, Zilges A: The 106Cd(alpha, alpha)106Cd elastic scattering in a wide energy range for gamma process studies, Nuclear Physics A 940 (2015) 194., 2015
Kiss G G, Szücs T, Rauscher T, Török Zs, Csedreki L, Fülöp Zs, Gyürky Gy, Halász Z: Measurement of (alpha, n) reaction cross sections of erbium isotopes for testing astrophysical rate predictions, Journal of Physics G Nuclear and Particle Physics 42 (2015) 055103, 2015
Güray R T, Özkan N, Yalcin C, Rauscher T, Gyürky Gy, Farkas J, Fülöp Zs, Halász Z, Somorjai E: Measurements of 152Gd(p,gamma)153Tb and 152Gd(p,n)152Tb reaction cross sections for the astrophysical gamma process, Physical Review C 91 (2015) 055809, 2015
Gyürky Gy, Fülöp Zs, Halász Z, Kiss G G, Szücs T: Direct study of the alpha-nucleus optical potential at astrophysical energies using the 64Zn(p, alpha)61Cu reaction, Physical Review C 90 (2014) 052801(R), 2014





 

Events of the project

 
2016-10-05 13:57:52
Résztvevők változása




Back »