1
Reaction Mechanisms with low energy RIBs: limits andperspectivesReaction Mechanisms with low energy RIBs: limits andperspectives
Alessia Di PietroAlessia Di Pietro
INFN-Laboratori Nazionali del SudINFN-Laboratori Nazionali del Sud
2
Radioactive Ion Beams: many new problems can be studied…Radioactive Ion Beams: many new problems can be studied…
Using the radioactive beamsavailable todayUsing the radioactive beamsavailable today
one can study reactionsinduced byone can study reactionsinduced by
proton or neutron rich nuclei.proton or neutron rich nuclei.
Some of such nuclei have low break-upthresholds. In some casesSome of such nuclei have low break-upthresholds. In some cases
like 11Li,11Be,6He,like 11Li,11Be,6He,
the last weakly bound nucleon(s)the last weakly bound nucleon(s)
form large diffuse HALOform large diffuse HALO
around well bound core.around well bound core.
3
rr
VpVp
Nuclear HaloNuclear Halo
 Nuclear Halo can show-up if s op bound state close to the emissionparticle threshold. Nuclear Halo can show-up if s op bound state close to the emissionparticle threshold.
 Low binding energy MeV) ofouter nucleons make possiblequantum tunneling of such nucleonsoutside nuclear core. Low binding energy MeV) ofouter nucleons make possiblequantum tunneling of such nucleonsoutside nuclear core.
Halo states:Halo states:
bound states whose wave function extends to classical forbidden regionbound states whose wave function extends to classical forbidden region
4
The study of reactions and in particular fusion at lowbombarding energies in collision induced by halo but alsoweakly bound nuclei is an important issue since it gives greatincentive to better understand the continuum.
Which are the theoretical expectations?Which are the theoretical expectations?
Which the experimental methods adopted?Which the experimental methods adopted?
Limits of the results obtained with the present facilities.Limits of the results obtained with the present facilities.
Have we learned something?Have we learned something?
Reaction mechanisms around the barrierReaction mechanisms around the barrier
5
Effect of halo behaviour on reaction mechanism:Effect of halo behaviour on reaction mechanism:
 Static effects due to long tail in density distribution: Static effects due to long tail in density distribution:
     longer tail in ion-ion potential, lowering of Coulomb barrier,larger sub-barrier fusion probabilities, etc     longer tail in ion-ion potential, lowering of Coulomb barrier,larger sub-barrier fusion probabilities, etc
 Dynamical effects due to coupling to states in the continuum: Dynamical effects due to coupling to states in the continuum:
     polarization term in optical potential, effect on sub-barrierfusion, etc..     polarization term in optical potential, effect on sub-barrierfusion, etc..
Well established that coupling of colliding nuclei relative motion tointrinsic excitations or other open reaction channels  causes largeenhancement of fusion cross-section at sub-barrier energies overprediction of simple penetration models.Well established that coupling of colliding nuclei relative motion tointrinsic excitations or other open reaction channels  causes largeenhancement of fusion cross-section at sub-barrier energies overprediction of simple penetration models.
6
Ecm(MeV)Ecm(MeV)
CF (mb)CF (mb)
Fusion excitation function for: 58Ni 58,64Ni and 64Ni 64NiFusion excitation function for: 58Ni 58,64Ni and 64Ni 64Ni
M. Beckerman et al. Phys. Rev. Lett 45 (1980) 1472 , M. Beckerman et al. Phys. Rev. C23 (1981) 1581
 M. Beckerman et al. Phys. Rev. C25 (1982) 837 12
7
Some examples of different theoretical predictionsSome examples of different theoretical predictions
K.Hagino, et al. PR C 61,037602 (2000)
A.Diaz-Torres, et al. PR C 65,024606 (2002)
M.Ito  et al. PL B637,53,(2006)
CDCC calculations
CDCC calculations+continuum-continuum coupling
Time evolution of threebody system: core, halo,target.
11Be+208Pb
11Be+208Pb
11Be+209Bi
10Be+209Bi
a)CDCC calculations  coupling between ground state and continuum up to MeV.a)CDCC calculations  coupling between ground state and continuum up to MeV.
b)CDCC calculations  11Be 1stexcited state and continuum-continuum coupling. Continuumconsidered up to MeV.b)CDCC calculations  11Be 1stexcited state and continuum-continuum coupling. Continuumconsidered up to MeV.
c) Time dependent wave packet approach Interaction: halo-core, core-target, halo-targetc) Time dependent wave packet approach Interaction: halo-core, core-target, halo-target
Results depend upon phase space in the continuum (considered range of energies and relativeangular momentum). Other approximations considered in the calculations.Results depend upon phase space in the continuum (considered range of energies and relativeangular momentum). Other approximations considered in the calculations.
a)
b)
c)
8
 Present facilities where low energy beams of halo nuclei have been used. Present facilities where low energy beams of halo nuclei have been used.
ISOL beams:ISOL beams:
 Louvain la Neuve 6He (no more RIBs available from next summer) Louvain la Neuve 6He (no more RIBs available from next summer)
 REX-ISOLDE 11Be REX-ISOLDE 11Be
 SPIRAL 6He SPIRAL 6He
 Dubna 6He Dubna 6He
Fragmentation beams:Fragmentation beams:
 Riken 11Be (after energy degradation) Riken 11Be (after energy degradation)
In flight separated beams:In flight separated beams:
Notre Dame (6He) Notre Dame (6He)
Available beam intensities 105÷10ppsAvailable beam intensities 105÷10pps
The required intensities ..... comparable with stable beam intensities!The required intensities ..... comparable with stable beam intensities!
9
  
Experimental methodsExperimental methods
Different techniques have been used for the detection of the reactionproducts: Silicon strip arrays,  detectors, X-ray detectors, detectors…Different techniques have been used for the detection of the reactionproducts: Silicon strip arrays,  detectors, X-ray detectors, detectors…
Problems:low beam intensity and small cross-sections low ratehighbackgroundProblems: low beam intensity and small cross-sections low ratehighbackground
 
Fusion channel identification :Fusion channel identification :
Heavy targets  Fission FragmentsHeavy targets  Fission Fragments
Lighter targets  Evaporation ResiduesLighter targets  Evaporation Residues
but…but…
Direct ER detection difficultDirect ER detection difficult
  
Activation techniques: Detection of  particles, X-rays or following the ER radioactive decay.Activation techniques: Detection of  particles, X-rays or following the ER radioactive decay.
Alternative technique: characteristic  rays (butvery efficient detection systems needed)Alternative technique: characteristic  rays (butvery efficient detection systems needed)
10
6He+238U: fission cross section6He+238U: fission cross section
ISOL beam ~106 ppsISOL beam ~106 pps
Experimental set-upExperimental set-up
6He
The strong enhancement of thefission cross-section comes fromtransfer reactions.The strong enhancement of thefission cross-section comes fromtransfer reactions.
R.Raabe et al. Nature 431(2004)823
11
4,6He+64Zn fusion excitation function4,6He+64Zn fusion excitation function
ISOL beam 106 ppsISOL beam 106 pps
Experimental technique: Off-Line X-ray detection.Experimental technique: Off-Line X-ray detection.
4He 64Zn4He 64Zn
6He 64Zn6He 64Zn
Beam
64Zn targets
Nb catcher
Si-Strip
Si-strip
Experimental set-upExperimental set-up
A. Di Pietro Europhys. Jour. Special Topics 150, 15 (2007)
A. Di Pietro et al. Phys.Rev.C 69(2004)044613
12
6He Exp. data from: J.J. Kolata et al: Phys.Rev.Lett.81(1998)4580
Comparison from: N.Alamanos et al: Phys.Rev.C65,054606,(2002)
Enhancement of fusion cross-section below the Coulomb barrieris observed when compared with4He+209Bi cross-section orcalculations.Enhancement of fusion cross-section below the Coulomb barrieris observed when compared with4He+209Bi cross-section orcalculations.
6He+209Bi  fusion cross sections6He+209Bi  fusion cross sections
In-flight separated beam 10ppsIn-flight separated beam 10pps
Experimental technique: off-line  detectionExperimental technique: off-line  detection
6He+209Bi
4He+209Bi 2n+3n+4n
4He+209Bi 1n
Fusion excitation functionFusion excitation function
13
6He+206Pb collision: fusion cross sections6He+206Pb collision: fusion cross sections
6He ISOL beam degraded in energy.6He ISOL beam degraded in energy.
Experimental technique: off-line  particle detection.Experimental technique: off-line  particle detection.
large enhancement of thefusion cross section for the6He+206Pb is claimedlarge enhancement of thefusion cross section for the6He+206Pb is claimed
Yu. E. Penionzhkevic et al. Phys. Rev. Lett. 96 (2006)162701Yu. E. Penionzhkevic et al. Phys. Rev. Lett. 96 (2006)162701
2n
1n (measured)
(calculated)
14
11Be+209Bi11Be+209Bi
Energy degraded fragmented beam ~105 ppsEnergy degraded fragmented beam ~105 pps
Experimental technique: off-line  detection+ FF detectionExperimental technique: off-line  detection+ FF detection
9,10,11Be+209Bi9,10,11Be+209Bi
C.Signorini et al. Nucl.Phys.A 735(2004)329
No differences of fusion cross-sectionare observed among the different Beisotope induced fusion reactions. Onlystatistical errors considered.No differences of fusion cross-sectionare observed among the different Beisotope induced fusion reactions. Onlystatistical errors considered.
Beam  profileBeam  profile
 spectrum from radioactive decay spectrum from radioactive decay
15
Other reaction mechanismsOther reaction mechanisms
E.F. Aguilera Phys.Rev.C 63(2001)061603
A strong  particle  yield due to transfer+B.U. events is observed. The associated crosssection saturates 80% of total reaction cross section at the barrier and almost all thetotal reaction cross section below the barrier.
-n angular correlation measurements suggest that about 20% of the  particle yieldis due to 1n transfer events whereas the remaining 80% is shared between 2n transferand break-up
J.P.Bychowski et al. Phys. Lett. B 596,26,(2004)
fusfus
reac
Ecm=12.4 MeV
T+bu =1200150 mb
T+bu/R  80%T+bu/R  80%
 6He+64Zn  particle a.d.
A. Di Pietro et al. Phys.Rev.C 69(2004)044613
6He+209Bi
16
11Be+209Bi
17F+208Pb
In these two cases R Fus.
R similar to reaction inducedby well bound systems.
No strong direct reactionprocess contribution.
For other systems studied….
M.Mazzocco et al. EPJ A28,295(2006)
M.Romoli et al. PRC 69,064614(2004)
17
From the data so far collected completely clear picture of structure effects of halobound nuclei on reaction mechanisms is still not available and the role of break-up hasstill to be understoodFrom the data so far collected completely clear picture of structure effects of halobound nuclei on reaction mechanisms is still not available and the role of break-up hasstill to be understood
The experiments so far performed have reached their limit, only little improvementscan be done.The experiments so far performed have reached their limit, only little improvementscan be done.
New data (possibly taken in exclusive experiments and/or experiments looking at onceat elastic all open reaction channels) are needed for complete  understanding of thereaction dynamics in collision around the Coulomb barrier.New data (possibly taken in exclusive experiments and/or experiments looking at onceat elastic all open reaction channels) are needed for complete  understanding of thereaction dynamics in collision around the Coulomb barrier.
More precise experiments extending to lower energies below the barrier should beperformed. This is not possible with the existing facilities higher intensities mandatory(EURISOL).More precise experiments extending to lower energies below the barrier should beperformed. This is not possible with the existing facilities higher intensities mandatory(EURISOL).
  
Summarising
18
What could be done with stable beam intensities?What could be done with stable beam intensities?
M.Dasgupta et al. Phys.Rev. C70,024606,(2004)M.Dasgupta et al. Phys.Rev. C70,024606,(2004)
9Be+208Pb9Be+208Pb
1 35        40         45       50
                 Ec.m. (MeV)
Ecm(MeV)Ecm(MeV)
CF (mb)CF (mb)
M. Beckerman et al. Phys. Rev. Lett 45 (1980) 1472 , M. Beckermanet al. Phys. Rev. C23 (1981) 1581 M. Beckerman et al. Phys. Rev. C25(1982) 837 12
19
Will this be possible at EURISOL?
 Beam currents much higher then the ones currently available (in somecases comparable with stable beam currents).
 Possibility to detect different reaction products (e.g. neutrons, )  with thenew, more efficient detection systems which will be available at EURISOLto discriminate the different reaction mechanisms.
 More species available.