Neutron capture cross section measurement of the heaviest s-process branching 204Tl and of 203Tl at CERN n_TOF

Les seccions eficaces de captura de neutrons són fonamentals en l'estudi del procés lent de nucleosíntesi estel·lar dels elements, també conegut com a procés s (de l'anglès "slow"). El procés s és responsable de la producció d’aproximadament la meitat de les abundàncies solars dels elements més pesats que el ferro.

Alguns nuclis en la cadena de nucleosíntesi són inestables, i en aquests el procés de captura competeix amb el procés de desintegració, el que dóna lloc a una ramificació del camí de producció dels elements. Les propietats nuclears d’alguns d’aquests núclids canvien amb les condicions de l’entorn estel·lar on són produïts, el que influencia el patró d’abundàncies local. El 204Tl és un punt de ramificació molt interessant, perquè està protegit de contribucions d’altres processos de nucleosíntesi. El resultat és que tant el 204Tl com el seu producte de desintegració 204Pb només són produïts pel procés s. Per tant, degut que competeix amb el procés de desintegració, la secció eficaç de captura neutrònica del 204Tl és clau per fixar l’abundància final de 204Pb. Una predicció cartera de l’abundància dels núclids només produïts pel procés s és un de les proves de precisió dels models de càlculs de nucleosíntesi estel·lar.

Tot i això, fins el present treball, no hi havia dades de la seva secció eficaç degut al reptes en la realització d’una mesura de captura en el 204Tl. Això feia que hi hagués una incertesa important en la secció eficaç estel·lar, la qual cosa dificultava una predicció precisa de la producció de 204Pb pel procés s.

De la mateixa manera, la secció eficaç de 204Tl(n,γ) també afecta la relació d’abundàncies 205Pb/204Pb. Degut al fe que el 205Pb és radioactiu, amb un període de semidesintegració de 17,2 Ma, la dita relació té el potencial de ser usada com a cronòmetre del procés s.

L'any 2013 es va produir una mostra enriquida en 204Tl per irradiació neutrònica d'una llavor de 203Tl al reactor nuclear del ILL de Grenoble (França). Dos anys després, la mostra enriquida es va fer servir per mesurar, per primera vegada, la secció eficaç de captura del 204Tl utilitzant la tècnica de temps de vol a l'experiment n_TOF del CERN. La mesura va ser possible gràcies a les característiques úniques d’aquesta instal·lació, en particular, l'elevat flux instantani de neutrons i els nivells baixos de fons. La mesura es va dur a terme mitjançant la tècnica de Detecció Total d’Energia (TED, en anglès), que té com a avantatges una sensibilitat de detecció de neutrons molt baixa, i una baixa taxa de detecció de fons.

Els principals reptes en la mesura de 204Tl(n,γ) van ser la gran quantitat de senyals de fons causats per l’activitat de la mostra, la baixa quantitat de material disponible, i el coneixement limitat de la geometria de la mostra després del procés d’irradiació. Totes aquestes dificultats han requerit l’adopció de solucions específiques durant la mesura i l’anàlisi de dades posterior.

Les complicacions amb la geometria de la mostra van fer necessari aplicar un mètode d’autonormalització. Per aquest propòsit es va dur a terme una mesura auxiliar de captura en 203Tl durant la mateix campanya experimental. Com que el 203Tl es estable, els principals errors sistemàtics de mesura es van poder mantenir baixos. Això ha permès fer un anàlisi de tipus R-matrix de les principals ressonàncies de captura neutrònica del 203Tl, incloent la primera mesura dels nivells per sota de 3 keV. Això ha contribuït a millorar la secció eficaç de captura estel·lar del 203Tl en el rang entre 8 keV i 25 keV d’energia tèrmica dels neutrons.

La secció eficaç millorada de la reacció 203Tl(n,γ) ha permès realitzar un anàlisi de diverses ressonàncies de captura del 204Tl. Els resultats s’han utilitzat per fitar la secció eficaç estel·lar del 204Tl a energies de neutrons baixes, i així limitar els valors possibles de la secció eficaç, predites per les llibreries d’avaluacions de dades nuclears, a les temperatures característiques del procés s.