Studio di reazioni nucleari di interesse per la ricerca del decadimento 0νββ nel conteso del progetto NUMEN: i casi 76Se(18O,17O)77Se e 76Se(18O,19F)75As a 15 MeV/u e sviluppo di un nuovo tracciatore a gas per applicazioni ad alto rate

Neutrinoless Double Beta Decay (0νββ) represents a crucial topic in modern Physics, potentially opening new scenarios beyond the Standard Model of particle physics. The NUMEN project proposes an innovative technique to access the nuclear matrix elements entering the expression of the lifetime of the double beta decay by cross-section measurements of heavy-ion induced Double Charge Exchange (DCE) reactions. In this context, the DCE reaction channel is the most interesting among the many which are opened in a heavy-ion collision at incident energies far above the Coulomb barrier. Nonetheless, also, multi-nucleon transfer processes are important sources of information, essential to build a constrained analysis of the nuclear states of interest for DCE and 0νββ. The experimental set up used for such measurements including the MAGNEX magnetic spectrometer at the INFN - Laboratori Nazionali del Sud, in Catania, is described in the present thesis. The experimental and theoretical analysis of one-nucleon transfer reactions populated in the collision 18O + 76Se, performed in a multi-channel approach is also discussed. Conclusive results have been achieved, comparing state-of-the-art nuclear reaction and structure calculations on the experimental data. In particular, the investigated processes were nicely described in the Coupled Reaction Channels framework adopting spectroscopic amplitudes extracted from large-scale shell model calculations. The tiny values of DCE cross-sections and the resolution and sensitivity requirements demand beam intensities much higher than those manageable with the present facility. The on-going upgrade of the INFN-LNS research infrastructure in this perspective is intimately connected to the NUMEN project. In this context, a new tracker system for the MAGNEX focal plane detector, capable of sustaining rates of ejectiles particles as high as MHz, is under development. A tracker prototype has been realized and characterized with radioactive sources and beam at the INFN-LNS. First results from this experimental activity are discussed in this thesis together with specific simulations of the tracker system based on Garfield++ software.

Il doppio decadimento beta senza neutrini (0νββ) rappresenta un tema cruciale nella Fisica moderna, che potenzialmente aprirebbe nuovi scenari oltre il Modello Standard della fisica delle particelle. Il progetto NUMEN propone una tecnica innovativa per accedere agli elementi di matrice nucleare, presenti nell'espressione della vita media del doppio decadimento beta, basata su misure di sezione d'urto di reazioni di doppio scambio di carica (DCE) indotte da ioni pesanti. In questo contesto il canale di reazione DCE è quello di maggiore interesse tra i molti che si aprono in una collisione di ioni pesanti a energie al di sopra della barriera coulombiana. Ciò nonostante, anche processi di multi-nucleon transfer sono importanti fonti di informazione, essenziali per costruire l'analisi degli stati nucleari di interesse per i processi DCE e 0νββ. L'apparato sperimentale usato per queste misure, che include lo spettrometro magnetico MAGNEX ai INFN - Laboratori Nazionali del Sud, a Catania, è descritto in questa tesi. L'analisi teorica e sperimentale delle reazioni one-nucleon transfer popolate nella collisione 18O + 76Se, svolta in un approccio multi canale, è stata ampiamente discussa. Sono stati raggiunti risultati decisivi confrontando calcoli di struttura e reazioni nucleari con i dati sperimentali. In particolare, i processi investigati vengono ben descritti nel framework Coupled Reaction Channels adottando le ampiezze spettroscopiche estratte da calcoli large-scale shell model. I piccoli valori delle sezioni d'urto DCE e la risoluzione richiesta richiedono intensità di fascio molto maggiori di quelle gestibili con l'apparato attuale. L'aggiornamento in corso dell'infrastruttura INFN-LNS in questa prospettiva è intimamente connessa al progetto NUMEN. In questo contesto, un nuovo sistema di tracciamento per il rivelatore di piano focale di MAGNEX, capace di sostenere rate di eiettili dell'ordine del MHz, è in fase di sviluppo. Un prototipo del tracciatore è stato realizzato e caratterizzato con sorgenti radioattive e fascio a INFN-LNS. I primi risultati di questa attività sperimentale sono discussi in questa tesi insieme a specifiche simulazioni del sistema di tracciamento basati sul software Garfield++ .