Μελέτη αστροφυσικών νετρίνων με τεχνικές προσομοίωσης και υπολογισμούς πυρηνικής δομής

Abstract

In the present Thesis, we investigated low and intermediate energy astrophysical neutrinos, by performing nuclear structure calculations and employing modern simulation techniques. One of our main goals, was to explore the nuclear response to supernova neutrino spectra of various nuclear detectors used recently in terrestrial experiments searching for events of rare process. We concentrated on the systematic studies of the (anti)neutrino-64,66Zn , 128,130Te reactions. The nuclei Te and Zn, are contents of the CdZnTe and CdTe semi-detectors, which are promising detectors of the COBRA double beta decay experiment at Gran Sasso. From a nuclear structure calculations point of view, the original (anti)neutrino-nucleus reaction cross sections are evaluated within the context of the quasi-particle random phase approximation (QRPA). The detailed original cross sections presented in the present study, refer to the double differential, the single differential, the cumulative and the total cross sections. We employed an advantageous numerical approach published by our group recently, which provides state-by-state calculations of the relevant cross sections for all multipolarities emphasizing on the most important ones, i.e. those with Jπ ≤ 8±. For all isotopes studied, the differential and total cross sections as functions of the nuclear excitation energy ω, are dominated by contributions originating from the 1-, 2+ and 1+ multipolarities. We paid special attention on the dependence of the cross sections on the incoming neutrino energies, on the nuclear excitation energy of each isotope and on the other kinematical parameters. The nuclear response of 64,66Zn and 128,130Te isotopes to supernova neutrino energy spectra, was studied by convoluting the original cross sections with well known supernova (anti)neutrino energy distributions such as the Fermi-Dirac and Power-Law. We also explored the interpretation of the supernova neutrino signals created on the aforementioned nuclear detectors by using the low-energy beta-beam spectra of boosted β-radioactive nuclei. Work obtained by using the MERLIN optimization package. This response, reflects the effectiveness of the COBRA semi-contactors as supernova neutrino detectors. The results of the original (anti)neutrino-nucleus cross sections are also useful for modelling the neutrino-nucleosynthesis in the interior of massive stars.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μελετώνται αστροφυσικά νετρίνα χαμηλών και ενδιαμέσων ενεργειών, με λεπτομερειακούς υπολογισμούς πυρηνικής δομής και χρήση σύγχρονων τεχνικών προσομοίωσης. Ένας από τους κύριους στόχους, ήταν η διερεύνηση της πυρηνικής απόκρισης στα φάσματα των σούπερνόβα νετρίνων διαφόρων ισοτόπων, τα οποία χρησιμοποιούνται σε πρόσφατα πειράματα έρευνας διαδικασιών με σπάνια γεγονότα. Επικεντρώσαμε την προσοχή μας στη συστηματική μελέτη των αντιδράσεων (αντι)νετρίνων με τα ισότοπα 64,66Zn και 128,130Te. Οι πυρήνες Zn και Te, είναι συστατικά των ημιαγωγών CdZnTe και CdTe, οι οποίοι έχουν επιλεγεί για ανιχνευτές στο πείραμα COBRA στο Gran Sasso. Από την άποψη της πυρηνικής δομής, οι πρωτογενείς υπολογισμοί ενεργών διατομών (αντι)νετρίνου-πυρήνα, έχουν γίνει χρησιμοποιώντας την προσέγγιση τυχαίας φάσης με ημισωμάτια (QRPA). Τα αποτελέσματα των ενεργών διατομών που παρουσιάζονται, αναφέρονται στη διπλή διαφορική, στην απλή διαφορική, στη σωρρευτική (αθροιστική) και στην ολική ενεργό διατομή. Για τους υπολογισμούς των πυρηνικών στοιχείων πίνακα, χρησιμοποιήσαμε την πλενονεκτική μέθοδο που κατασκευάστηκε πρόσφατα, κατάλληλη για υπολογισμούς κατάσταση-προς-κατάσταση όλων των αναγκαίων ενεργών διατομών. Εστιάσαμε σε ξεχωριστούς υπολογισμούς της συνεισφοράς όλων των πολυπολικών καταστάσεων (με Jπ ≤ 8±). Για όλα τα ισότοπα που μελετήσαμε, οι κυρίαρχες πολυπολικές καταστάσεις είναι οι 1-, 2+ και 1+ , τόσο στις διαφορικές όσο και στις ολικές ενεργές διατομές. Μελετήσαμε ιδιαίτερα την εξάρτηση των ενεργών διατομών από την ενέργεια του εισερχομένου νετρίνου, την ενέργεια διέγερσης του πυρήνα-ανιχνευτή , καθώς και από άλλες κινηματικές παραμέτρους. Η απόκριση των ισοτόπων 64,66Zn και 128,130Te στα φάσματα των υπερκαινοφανών νετρίνων, μελετήθηκε υπολογίζοντας την συνέλιξη των πρωτογενών ενεργών διατομών με κατανομές υπερκαινοφανών (αντι)νετρίνων, όπως οι Fermi-Dirac και Power-Law. Διερευνήθηκε επίσης, η ερμηνεία του σήματος υπερκαινοφανών νετρίνων που παράγεται στον πυρηνικό ανιχνευτή, χρησιμοποιώντας φάσματα χαμηλής ενέργειας νετρίνων β-δέσμης, προερχόμενα από β-ραδιενεργούς πυρήνες επιταχυνομένους σε αποθηκευτικούς δακτυλίους. Η διαδικασία προσαρμογής υλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό MERLIN. Η ανωτέρω απόκριση, αντανακλά την αποδοτικότητα των πυρηνικών στόχων σαν ανιχνευτές (αντι)νετρίνων. Τα αποτελέσματα των ενεργών διατομών της παρούσας έρευνας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε κώδικες περιγραφής της πυρηνοσύνθεσης των μαζικών αστέρων.