Study of ¹⁶O(γ, α)¹²C nuclear reaction with the Warsaw TPC detector

Wyznaczenie stosunku węgla do tlenu wyprodukowanego na koniec fazy spalania helu w gwiazdach stanowi istotne wyzwanie dla astrofizyki jądrowej. Odpowiadające za stosunek reakcje mają miejsce poniżej bariery kulombowskiej, przez co pomiar bezpośredni jest bardzo wymagający i obarczony znaczącymi niepewnościami. Ostatnimi czasy wykorzystanie wiązek γ o wysokiej intensywności stworzyło nowe możliwości do zbadania reakcji 12C (α, γ) 16O, odpowiadającej za wartość stosunku węgla do tlenu, poprzez pomiar odwróconej w czasie reakcji — fotodezintegracji 16O (γ, α) 12C. Metoda ta posiada szereg przewag nad metodami stosowanymi do tej pory, między innymi niższy poziom tła i inne niepewności systematyczne. W celu wykorzystania tej obiecującej metody na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opracowany został dedykowany detektor Warsaw TPC będący komorą projekcji czasowej o aktywnej tarczy. Detektor został zaprojektowany i zoptymalizowany do przeprowadzania szeroko zakrojonych badań z wiązkami γ o wysokiej intensywności. Detektor wykorzystuje elektroniczny nadmiarowy odczyt paskowy, system akwizycji danych (DAQ) oparty na General Electronics for TPCs (GET) oraz trzy folie Gas Electron Multiplier (GEM) do wzmocnienia ładunku. W roku 2022 detektor Warsaw TPC został wykorzystany w serii pomiarów w ośrodku High Intensity Gamma-Ray Source (HIγS) należącym do Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL) w Durham w stanie Karolina Północna w Stanach Zjednoczonych. Celem tych eksperymentów było zbadanie procesu fotodezintegracji 16O (γ, α) 12C z wykorzystaniem wiązki γ o wysokiej intensywności i energiach środka masy z przedziału 1.35– 6.7 MeV. W rozprawie zawarto pierwszą analizę fizyczną zebranego materiału eksperymentalnego będącą jednocześnie jedną z pierwszych analiz z detektorem Warsaw TPC. Rezultaty w postaci względnych przekrojów czynnych dla przejść o multipolowości E1 i E2, jak również kąta mieszania E1- E2 zostały uzyskane na ograniczonej statystyce ręcznie zrekonstruownaych danych. Zebrane rezultaty dowodzą, że detektor Warsaw TPC oraz zaproponowane techniki przetwarzania i analizy danych mogą być efektywnie wykorzystane do badań reakcji jądrowych wywołanych wiązkami γ.

The determination of the carbon-to-oxygen ratio produced during the final stages of helium burning in stars poses a significant challenge in nuclear astrophysics. The relevant reactions occur at energies below the Coulomb barrier, making direct measurements highly demanding and associated with considerable uncertainties. Recently, the utilization of high-intensity γ-ray beams has offered a new opportunity to investigate the crucial 12C (α, γ) 16O reaction, which regulates the carbon-to-oxygen ratio, through the exploration of time-reversal photo disintegration 16O (γ, α) 12C reaction. This method presents certain advan tages over previous measurement techniques, including reduced background and different systematic uncertainties. To exploit this promising approach, a dedicated active-target Time Pro jection Chamber, known as the Warsaw TPC, has been developed at the University of Warsaw. The detector has been designed and optimized to facilitate comprehensive studies using high-intensity γ-ray beams. The de tector utilizes an electronic redundant strip readout, DAQ system based on the General Electronics for TPCs (GET), and a stack of three Gas Electron Multiplier (GEM) foils for charge amplification. In 2022, the Warsaw TPC was deployed for a series of measurements at the High Intensity Gamma-Ray Source (HIγS) facility, located at the Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL) in Durham, NC, USA. These experiments focused on studying the time-inverse photodisintegration 16O (γ, α) 12C processes utilizing a high-intensity monochromatic γ-ray beam in the center-of-mass energy range of 1.35–6.7 MeV. This thesis presents the first analysis of that experimental material and one of the first analyses done with any data collected with the Warsaw TPC. The results in form of relative cross-sections for E1 and E2 multipolarity components as well as the E1–E2 mixing phase angle were obtained on a limited statistics achieved with a manual event reconstruction. The obtained results prove the Warsaw TPC and proposed techniques of data processing and analysis can be effectively used for studies of γ-beam induces nuclear reactions.