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The neutron time-of-flight facility n_TOF at CERN, fully operational since 2002, combines a high instantaneous neutron flux with high energy resolution. The wide energy range and the high neutron flux per time-of-flight burst result in a much enhanced signal to background ratio for neutron capture of radioactive isotopes and makes this facility well suited for the measurement of high quality neutron-induced reaction cross-sections. Neutrons are created by spallation reactions induced by a pulsed 20 GeV/c proton beam impinging on a lead target. A 5 cm water slab surrounding the lead target serves as a coolant and at the same time as a moderator of the spallation neutron spectrum, providing a wide energy spectrum from 0.1 eV to about 250 MeV. By the end of 2005, a first phase of data taking has been successfully terminated. Fission and capture experiments have been performed on a variety of isotopes of interest for nuclear astrophysics, advanced nuclear technologies and for basic nuclear physics. The instrumentation developed for this facility consists of parallel plate avalanche counter and fission ionization chamber detectors for the fission experiments and of low mass C6D6 detectors and a 4 pi BaF2 total absorption calorimeter for capture experiments. A new data acquisition system, based on sampling of the detector signals, has been developed to cope with the high count rates and to minimize the effective dead time to only a few tens of nanosecond. A second phase of data taking is planned to start in 2007, after an upgrade of the spallation target. On the longer term, the construction of a flight path at 20 m resulting in an increased neutron flux of about a factor of 100 opens new possibilities., Postprint (published version)

La nucleosintesi primordiale descrive le reazioni che hanno formato i primi elementi leggeri (H, 2H, 3He, 4He, 7Li) e ci da una previsione sull'andamento delle loro abbondanze primordiali in funzione del rapporto barioni-fotoni η, unico parametro libero della teoria BBN. Questo parametro è stato fissato dal momento in cui la sonda WMAP è stata lanciata in orbita; essa ha svolto misure importantissime sulla radiazione cosmica di fondo, fornendoci un valore accurato della densità barionica e quindi di η. Con questo nuovo dato sono state calcolate le abbondanze degli elementi leggeri ai tempi della nucleosintesi primordiale, tuttavia quella teorizzata per il 7Li non corrispondeva affatto a quella osservata nelle stelle dell'alone galattico, ma risultava essere dalle 2 alle 4 volte maggiore. Questa discrepanza costituisce il problema cosmologico del litio. Il problema può essere affrontato in diversi campi della fisica; il nostro scopo è quello di studiarlo dal punto di vista della fisica nucleare, analizzando le reazioni nucleari legate al 7Li. Il contributo principale alla produzione di 7Li proviene dal decadimento spontaneo del 7Be, quindi bisogna valutare il rate di reazione dei processi che producono o distruggono quest'ultimo nucleo; tale rate dipende dalla sezione d'urto della reazione. Un contributo fondamentale potrebbe essere dato dalle eventuali risonanze non ancora scoperte, cioè gli stati eccitati dei prodotti di reazione che si trovano ad energie non ancora studiate, in corrispondenza delle quali la sezione d'urto subisce un drastico aumento. Le due reazioni principali da considerare sono 7Be(n,p)7Li e 7Be(n,αlfa)4He; la prima perché contribuisce al 97% della distruzione del berillio, quindi una rivalutazione della sua sezione d'urto porterebbe ad un grande cambiamento nel valore dell'abbondanza di 7Be (e quindi di 7Li), la seconda poiché, anche se contribuisce solo al 2.5% della distruzione del berillio, possiede una incertezza enorme.

La tesi è incentrata sullo studio del flusso di neutroni e della funzione di risoluzione del progetto n_TOF al CERN di Ginevra. Dopo aver ricordato le motivazioni scientifiche e tecnologiche che stanno alla base di questo progetto di collaborazione internazionale, si trattano sommariamente alcune delle più importanti applicazioni della fisica neutronica e si descrive la facility di Ginevra. Nella parte finale del lavoro si presenta una misura di precisione ottenuta dal flusso di neutroni utilizzato nell'esperimento n_TOF nel 2012, la cui conoscenza è di fondamentale importanza per la misura di sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni. L'esperimento n_TOF ha proprio lo scopo di misurare sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni, in particolare reazioni di fissione e cattura neutronica. Ad n_TOF si utilizza un fascio di protoni, accelerato a 20 GeV dal ProtoSincrotrone del CERN, per crearne due di neutroni, uno verticale e uno orizzontale, tramite spallazione nucleare indotta su un bersaglio di Piombo. Dalle analisi dei dati si deduce come questo studio possa essere maggiormente ottimizzato migliorando la funzione di risoluzione energetica dei neutroni, attraverso simulazioni Monte Carlo.

Gli scintillatori organici contenenti C6D6 (benzene deuterato) sono ampiamente utilizzati per misure ad altra precisione di sezioni d'urto di cattura neutronica presso le facility che sfruttano la tecnica del tempo di volo. In particolare il loro uso nell'ambito della facility n_ToF al CERN di Ginevra ha richiesto la costruzione di nuovi rivelatori con una minore sensibilità ai neutroni di quelli presenti in commercio. In questa tesi si è studiato il nuovo prototipo di C6D6 realizzati dal gruppo italiano di n_ToF descrivendone la struttura e confrontandolo con i precedenti rivelatori realizzati nell'ambito del progetto n_ToF e le controparti commerciali evidenziandone i miglioramenti. Inoltre viene presentato lo studio, effettuato alla facility GELINA, della sensibilità ai neutroni del nuovo C6D6 e la ricerca di difetti costruttivi. Infine è mostrato come i nuovi rivelatori hanno una sezione d'urto per la cattura di nutrono molto bassa e una presenza minima di contaminanti dovuti ai materiali che li compongono.

Le attuali sezioni d’urto di reazioni indotte da neutroni non sono sufficientemente accurate per essere utilizzate in progetti di ricerca di frontiera. Per soddisfare la richiesta di nuovi dati nucleari è stata recentemente costruita al CERN di Ginevra la facility n_TOF (neutron Time Of Flight). Le caratteristiche che contraddistinguono questa facility sono l’elevato flusso istantaneo di neutroni, l’ampio spettro energetico e l’eccellente risoluzione energetica. In questa tesi viene analizzata la sezione d’urto di cattura neutronica su 238U, fondamentale per la realizzazione dei reattori nucleari di nuova generazione che prevedono la sostituzione del combustibile 235U con 238U, molto più abbondante in natura e che permette di ridurre drasticamente l’accumulo di scorie nucleari. Nonostante le numerose misure già effettuate su questo elemento, ancora non si è raggiunta la precisione necessaria per le tecnologie nucleari emergenti quali i reattori di quarta generazione e gli ADS (Accelerator Drive System). Inoltre la parametrizzazione della sezione d’urto in termini di matrice R, non è così accurata quanto richiesto. In questo lavoro si è dapprima studiata l’assegnazione dello spin delle risonanze riportata in letteratura, elemento fondamentale per la successiva analisi delle risonanze e la parametrizzazione della sezione d’urto della reazione 238U(n, ). Parallelamente a questa attività si è studiata la funzione di risposta dello spettrometro n_TOF, che descrive la risoluzione energetica dei neutroni incidenti e va quindi a modificare la forma delle risonanze. I risultati ottenuti sono quindi stati confrontati con quelli in letteratura per poter essere validati e per poter verificare eventuali migliorie.

Questa tesi è incentrata sullo studio e la determinazione del flusso neutronico della facility nTOF (neutron Time Of Flight) del CERN di Ginevra nel corso della campagna sperimentale del 2016. L'esperimento è finalizzato alla misura della sezione d'urto della reazione di cattura neutronica da parte degli isotopi dispari di gadolinio, 155Gd e 157Gd. In particolare l'analisi verrà condotta in modo da ottenere dati sperimentali nello spettro di energie da neutroni termici (10-2 eV) a 1.0 eV e migliorare i dati già esistenti per energie fino a 1.0 MeV. Dopo aver ricordato le motivazioni scientifiche e tecnologiche che sono alla base del progetto di ricerca, si descrivono le caratteristiche della facility nTOF e si trattano i fondamenti delle reazioni nucleari e le tecniche del tempo di volo, di misura di flusso e di cattura utilizzate nel corso dell'esperimento. Nella parte finale del lavoro si presentano i dati sperimentali acquisiti sul flusso neutronico, la cui accurata conoscenza è fondamentale per la misura di sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni. I risultati ottenuti sono quindi stati elaborati e confrontati con i dati precedenti per poter essere validati e per poter verificare eventuali discrepanze. Dalle analisi dei dati si deduce come la precisione ottenuta sulla determinazione del flusso sia ottimale per i successivi studi che verranno condotti sulla sezione d'urto degli isotopi dispari di gadolinio.

Un elemento fondamentale delle misure di sezioni d'urto indotte da neutroni è la conoscenza accurata del flusso di particelle incidenti. La valutazione di quest'ingrediente si basa su sezioni d'urto che, in determinati intervalli energetici, sono molto ben conosciute. La scarsità di dati sperimentali di sezioni d'urto indotte da neutroni per energie superiori a 20 MeV e la mancanza assoluta oltre i 200 MeV detta la richiesta di nuove misure. In particolare, alta priorità è stata assegnata alla reazione 235U(n,f). Questa è stata studiata fino a circa 1 GeV nel 2018 presso la facility per tempo di volo di neutroni n_TOF del CERN, dove è disponibile un intenso fascio pulsato di neutroni. Appositamente per questa campagna di misura sono stati sviluppati, all'interno della collaborazione, tre telescopi per protoni di rinculo (PRT), due dei quali sotto la responsabilità dell'INFN. Questi sono stati ottimizzati per rivelare le particelle prodotte nelle collisioni tra i pacchetti di neutroni incidenti e dei bersagli idrogenati, al fine di determinare il flusso di neutroni relativamente allo scattering n-p, principale riferimento nella regione energetica considerata. In questa tesi si è studiato il PRT adibito alla rivelazione delle particelle emesse nelle collisioni che coinvolgono i neutroni di energia maggiore di 50 MeV. Basandomi su simulazioni Monte Carlo, prodotte con il toolkit Geant4, ho studiato l'efficienza del sistema di rivelazione tra 40 MeV e 1 GeV. Ho determinato l'efficienza, ottenendo risultati di ordine 10^-5, utilizzando due metodi diversi, per valutare con attenzione tutti i contributi di eventi di background che intervengono nella misura. Per concludere, ho estratto il flusso di neutroni incidenti di energia compresa tra 50 e 90 MeV utilizzando parte dei dati sperimentali acquisiti durante la campagna sperimentale e l'efficienza da me estratta.

Questa tesi è incentrata sullo studio e la determinazione del flusso neutronico della facility nTOF (neutron Time Of Flight) del CERN di Ginevra nel corso della campagna sperimentale del 2016. L'esperimento è finalizzato alla misura della sezione d'urto della reazione di cattura neutronica da parte degli isotopi dispari di gadolinio, 155Gd e 157Gd. In particolare l'analisi verrà condotta in modo da ottenere dati sperimentali nello spettro di energie da neutroni termici (10-2 eV) a 1.0 eV e migliorare i dati già esistenti per energie fino a 1.0 MeV. Dopo aver ricordato le motivazioni scientifiche e tecnologiche che sono alla base del progetto di ricerca, si descrivono le caratteristiche della facility nTOF e si trattano i fondamenti delle reazioni nucleari e le tecniche del tempo di volo, di misura di flusso e di cattura utilizzate nel corso dell'esperimento. Nella parte finale del lavoro si presentano i dati sperimentali acquisiti sul flusso neutronico, la cui accurata conoscenza è fondamentale per la misura di sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni. I risultati ottenuti sono quindi stati elaborati e confrontati con i dati precedenti per poter essere validati e per poter verificare eventuali discrepanze. Dalle analisi dei dati si deduce come la precisione ottenuta sulla determinazione del flusso sia ottimale per i successivi studi che verranno condotti sulla sezione d'urto degli isotopi dispari di gadolinio.

La tesi è incentrata sullo studio del flusso di neutroni e della funzione di risoluzione del progetto n_TOF al CERN di Ginevra. Dopo aver ricordato le motivazioni scientifiche e tecnologiche che stanno alla base di questo progetto di collaborazione internazionale, si trattano sommariamente alcune delle più importanti applicazioni della fisica neutronica e si descrive la facility di Ginevra. Nella parte finale del lavoro si presenta una misura di precisione ottenuta dal flusso di neutroni utilizzato nell'esperimento n_TOF nel 2012, la cui conoscenza è di fondamentale importanza per la misura di sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni. L'esperimento n_TOF ha proprio lo scopo di misurare sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni, in particolare reazioni di fissione e cattura neutronica. Ad n_TOF si utilizza un fascio di protoni, accelerato a 20 GeV dal ProtoSincrotrone del CERN, per crearne due di neutroni, uno verticale e uno orizzontale, tramite spallazione nucleare indotta su un bersaglio di Piombo. Dalle analisi dei dati si deduce come questo studio possa essere maggiormente ottimizzato migliorando la funzione di risoluzione energetica dei neutroni, attraverso simulazioni Monte Carlo.

Gli scintillatori organici contenenti C6D6 (benzene deuterato) sono ampiamente utilizzati per misure ad altra precisione di sezioni d'urto di cattura neutronica presso le facility che sfruttano la tecnica del tempo di volo. In particolare il loro uso nell'ambito della facility n_ToF al CERN di Ginevra ha richiesto la costruzione di nuovi rivelatori con una minore sensibilità ai neutroni di quelli presenti in commercio. In questa tesi si è studiato il nuovo prototipo di C6D6 realizzati dal gruppo italiano di n_ToF descrivendone la struttura e confrontandolo con i precedenti rivelatori realizzati nell'ambito del progetto n_ToF e le controparti commerciali evidenziandone i miglioramenti. Inoltre viene presentato lo studio, effettuato alla facility GELINA, della sensibilità ai neutroni del nuovo C6D6 e la ricerca di difetti costruttivi. Infine è mostrato come i nuovi rivelatori hanno una sezione d'urto per la cattura di nutrono molto bassa e una presenza minima di contaminanti dovuti ai materiali che li compongono.

Le attuali sezioni d’urto di reazioni indotte da neutroni non sono sufficientemente accurate per essere utilizzate in progetti di ricerca di frontiera. Per soddisfare la richiesta di nuovi dati nucleari è stata recentemente costruita al CERN di Ginevra la facility n_TOF (neutron Time Of Flight). Le caratteristiche che contraddistinguono questa facility sono l’elevato flusso istantaneo di neutroni, l’ampio spettro energetico e l’eccellente risoluzione energetica. In questa tesi viene analizzata la sezione d’urto di cattura neutronica su 238U, fondamentale per la realizzazione dei reattori nucleari di nuova generazione che prevedono la sostituzione del combustibile 235U con 238U, molto più abbondante in natura e che permette di ridurre drasticamente l’accumulo di scorie nucleari. Nonostante le numerose misure già effettuate su questo elemento, ancora non si è raggiunta la precisione necessaria per le tecnologie nucleari emergenti quali i reattori di quarta generazione e gli ADS (Accelerator Drive System). Inoltre la parametrizzazione della sezione d’urto in termini di matrice R, non è così accurata quanto richiesto. In questo lavoro si è dapprima studiata l’assegnazione dello spin delle risonanze riportata in letteratura, elemento fondamentale per la successiva analisi delle risonanze e la parametrizzazione della sezione d’urto della reazione 238U(n, ). Parallelamente a questa attività si è studiata la funzione di risposta dello spettrometro n_TOF, che descrive la risoluzione energetica dei neutroni incidenti e va quindi a modificare la forma delle risonanze. I risultati ottenuti sono quindi stati confrontati con quelli in letteratura per poter essere validati e per poter verificare eventuali migliorie.