The neon-sodium cycle: Study of the 22Ne(p,gamma)23Na reaction at astrophysical energies

The 22Ne(p,gamma)23Na reaction takes part in the neon-sodium cycle of hydrogen burning. This cycle plays a crucial role for the synthesis of the elements with mass A = 20-25 in asymptotic giant branch stars, classical novae explosions and type Ia supernovae, where hydrogen burning occurs at high temperatures. The 22Ne(p,gamma)23Na thermonuclear reaction rate is highly uncertain because of a large number of poorly known resonances lying at astrophysical energies. This thesis reports on a new experimental study of the 22Ne(p,gamma)23Na reaction. In particular, two experiments have been performed to pin down the cross section of the proton capture on 22Ne: a measurement of the resonances at proton energies below 400 keV has been performed at the Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) in Gran Sasso (Italy), while a high-precision study of the resonances between 400 and 660 keV has been performed at the Helmoltz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Germany). For the LUNA measurement, a windowless gas target filled with enriched 22Ne was used and the gamma rays emitted in the 23Na decay were detected by two high-purity germanium detectors. The experiment performed at LUNA led to the first detection of three previously unobserved resonances. Moreover, the decay schemes of the corresponding excited states of 23Na have been extended with the observation of new transitions. The LUNA measurement also allowed to reduce the upper limits on three unobserved resonances that represent the main source of uncertainty for the reaction rate. The HZDR experiment was performed with a 22Ne solid target and two high-purity germanium detectors surrounded by BGO anti-Compton shields. The target were prepared implanting 22Ne on a tantalum backing. The implantation was performed at the 200 kV high-current implanter of Legnaro National Laboratories (Italy). To improve the precision on the strengths of the resonances between 400 and 660 keV, the well known 22Ne(p,gamma)23Na resonances at 1279 keV and 478 keV were used for normalization. This measurement allowed to reduce the uncertainty on the strengths of the 436 keV and 638.5 keV resonances up to a factor of three. Moreover, the strength of the 661 keV resonance has been revised downward by one order of magnitude. Taking into account the new results, an updated thermonuclear reaction rate has been calculated. At the temperatures of classical novae explosions, the uncertainty on the reaction rate has been reduced by about one order of magnitude compared to the literature.La reazione 22Ne(p,gamma)23Na fa parte del ciclo neon-sodio per il bruciamento dell' idrogeno. Il ciclo neon-sodio gioca un ruolo fondamentale per la sintesi degli elementi con massa A = 20-25 nelle stelle in fase di asymptotic giant branch, nelle esplosioni di novae di tipo classico e nelle esplosioni di supernovae di tipo Ia, dove il bruciamento di idrogeno avviene ad alte temperature. In particolare, la reazione 22Ne(p,gamma)23Na è la più incerta del ciclo neon-sodio. L'incertezza sulla sezione d'urto è dovuta al contributo, alle energie di interesse astrofisico, di un gran numero di risonanze. Alcune di queste risonanze non sono mai state osservate, per altre, invece, l'intensità è conosciuta con grande incertezza. Per misurare la sezione d'urto della 22Ne(p,gamma)23Na alle energie di interesse astrofisico, due esperimenti sono stati condotti nell'ambito di questa tesi: il primo, svolto con l'apparato sperimentale di LUNA, ha permesso di esplorare le risonanze di energia inferiore a 400 keV. Il secondo, invece, è stato svolto all'Helmoltz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), in Germania, ed ha permesso di miglirare la precisione sulle intensità delle risonanze tra 400 e 660 keV. Per la misura svolta al Gran Sasso è stato usato un bersaglio di tipo gassoso senza finestre di ingresso e i fotoni emessi nel decadimento del 23Na sono stati osservati con due rivelatori al germanio. L'esperimento svolto a LUNA ha permesso di rivelare per la prima volta tre risonanze. Per queste risonanze sono stati osservati anche nuovi modi di decadimento gamma. Questo ha permesso di ampliare gli schemi di decadimento di letteratura. Questa misura ha permesso, inoltre, di ridurre di due ordini di grandezza i limiti superiori sulle intensità di tre risonanze la cui esistenza è tuttora dubbia. Per l'esperimento svolto all'HZDR è stato utilizzato un bersaglio solido di 22Ne e due rivelatori al germanio circondati da schermi anti Compton. I target sono stati realizzati all'impiantatore da 200 kV dei Laboratori Nazionali di Legnaro impiantando il 22Ne su una targhetta di tantalio. L'intensità delle risonanze tra 400 e 660 keV è stata misurata usando come riferimento le risonanze a 1279 keV e 478 keV, che sono intense e ben note. Questo esperimento ha permesso di ridurre l'incertezza sull'intensità della risonanza a 436 keV di un fattore tre, mentre, per la risonanza a 661 keV, è stata determinata un'intensità un ordine di grandezza inferiore rispetto alla letteratura. Il rate di reazione astrofisico è stato aggiornato tenendo conto dei nuovi risultati descritti sopra. Alle temperature caratteristiche delle esplosioni di novae di tipo classico, l'incertezza sul nuovo rate è un ordine di grandezza inferiore rispetto alla letteratura