Universität zu Köln

Kaya, Levent (2020). Towards a unified view of nuclear structure northwest of 132Sn: Systematic studies of high-spin properties in Xe and Ba isotopes. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This doctoral thesis presents new experimental findings on high-spin states and their theoretical implications to the region of medium-mass (50<Z, N<82) transitional nuclei. Detailed experimental data on high-spin structures in A≈130 nuclei are exploited to benchmark the reliability of shell-model calculations in the area northwest of doubly-magic nucleus 132Sn. The findings are based upon the synergies between different cutting-edge nuclear spectroscopy experiments, relying on multinucleon-transfer reactions using the high-efficient Advanced GAmma Tracking Array (AGATA) coupled in series with the tracking magnetic spectrometer PRISMA located at the Laboratori Nazionali di Legnaro, Italy, and precise fusion-evaporation reactions at the HORUS spectrometer at the FN tandem accelerator of the University of Cologne, Germany. Xe and Ba isotopes near the 50<Z, N<82 shell closures can not be efficiently populate during fusion-evaporation experiments with reasonable production yields. Weak reaction channels which evaporate charged particles like protons require careful preconditions for a detailed spectroscopy. A new experimental setup consisting of the HORUS array in combination with a double-sided silicon strip detector (DSSSD) was commissioned to allow for detailed particle-gated γγ-spectroscopy. The existing high-spin level-schemes of 137Nd, 137Ba, 136Ba, 135Ba, 134Ba, 133Ba, 133Xe, 131Xe, and 130I were substantially extended, emphasizing the transitional character of these odd-, and even-mass nuclei. The observation of distinct backbendings in 131Xe and 134Ba establishes an important link in the smooth evolution from spherical to deformed shapes. The identification of new positive- and negative-parity level structures in 136Ba and 137Ba indicates a sudden change of the structure of high-spin states along the N=80 and N=81 chains, only two and one neutrons outside the fully occupied neutron shell. Different high-spin members of the mixed proton-neutron π(g7/2)/(d5/2)⊗νh11/2 and πh11/2⊗νh11/2 configurations were identified in doubly-odd 130I. Moreover, a millisecond pulsing system at the FN tandem accelerator was commissioned during this thesis. The 2107-, and 2388-keV states in the 133Xe and 135Ba isotones were identified as millisecond Jπ= 23/2+ isomers, closing the systematic towards the recently investigated Jπ=23/2+ isomer in 139Nd. In addition, a comprehensive search for the anticipated Jπ=23/2+ isomer in 137Ce was performed using two different experimental approaches. A hitherto tentatively assigned isomer at 1942 keV in the N=77 isotone 133Ba was confirmed as a Jπ=19/2+ isomer with a newly measured half-life of T1/2=66.6(20) ns. Similarly, the half-life value of the Jπ=19/2+ isomer at 2222 keV in 137Nd was significantly improved with a new value of T1/2=0.38(7) ns. The obtained data close systematic gaps along isotopic and isotonic chains and improve the understanding of nuclear configurations nearby the doubly-magic 132Sn. Finally, new developments and recent theoretical advances in shell-model calculations are available for a refined systematic comparison in A≈130 nuclei. Present-day shell-model interactions like GCN50:82, Realistic SM, and PQM130 are capable to overcome the previous limitations of shell-model calculations. The predictions of these calculations are in good accordance with the new experimental findings and provide access into a detailed microscopic description of high-spin features and the gradual change of nuclear structure towards the shell closure at N=82.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Diese Dissertation umfasst neue experimentelle Ergebnisse über die Hochspin-Strukturen und deren theoretische Implikationen für die Region von Übergangskernen mit mittlerer Massen 50<Z, N<82. Detaillierte Informationen über diese Kerne werden genutzt, um die Leistungsfähigkeit von Schalenmodellrechnungen in der Region nordwestlich des doppelt magischen Kern 132Sn zu validieren. Die experimentellen Ergebnisse beruhen auf verschiedenen sich ergänzenden Datensätzen, die zum einen auf Multinukleon-transferreaktion mit dem hochauflösenden Advanced GAmma Tracking Array (AGATA), gekoppelt mit dem Magnetspektrometer PRISMA am Laboratori Nazionali di Legnaro, Italien, und zum anderen auf dedizierten Fusionsverdampfungsreaktionen am HORUS-Spektrometer am FN-Tandembeschleuniger der Universität zu Köln basieren. Die Population leicht neutronenreicher Xe- und Ba-Kerne mit Schwerionenreaktionen erfordert den Nachweis abgedampfter Teilchen, wie geladener Protonen, um detaillierte γγ-Spektroskopie durchzuführen. Ein neuer Versuchsaufbau, bestehend aus einem doppelseitig segmentierten Siliziumdetektor (DSSSD), welcher zum Nachweis geladener Teilchen in Koinzidenz mit dem Gammaspektrometer HORUS eingesetzt wird, wurde im Rahmen der Arbeit in Betrieb genommen. Die bestehenden Termschemata von 137Nd, 137Ba, 136Ba, 135Ba, 134Ba, 133Ba, 133Xe, 131Xe, und 130I wurden deutlich erweitert. Die Beobachtung verschiedener Backbending-Phänomene in 131Xe und 134Ba stellt ein wichtiges Bindeglied in der Evolution von sphärischen zu deformierten Formen dar. Die Identifizierung neuer Strukturen in den Yrast-Bändern mit positiver und negativer Parität in 136Ba und 137Ba weisen auf eine plötzliche Änderung der Struktur von hoch angeregten Zuständen entlang der N=81 und N=80-Ketten, welche nur ein bzw. zwei Neutronen außerhalb der voll besetzten Neutronenschale liegen, hin. Verschiedene Hochspin-Zustände mit gemischten Protonen-Neutronen π(g7/2)/(d5/2)⊗νh11/2 und πh11/2⊗νh11/2 Konfigurationen wurden im doppelt ungeraden 130I identifiziert. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Millisekunden-Pulssystem am FN-Tandembeschleuniger wieder in Betrieb genommen. Die Zustände bei Anregungsenergien von 2107 und 2388 keV in den Isotonen 133Xe und 135Ba wurden als Millisekunden Isomere mit Spin/Parität Jπ=23/2^+ identifiziert und schließen die Systematik in Richtung des kürzlich untersuchten Jπ=23/2+-Isomers in 139Nd. Darüber hinaus wurde eine detaillierte Suche nach dem letzten fehlenden Jπ=23/2^+-Isomer entlang der N=79 Kette in 137Ce mit zwei verschiedenen experimentellen Aufbauten durchgeführt. Ein vermutetes Isomer bei einer Anregungsenergie von 1942 keV im N=77 Isotone 133Ba wurde als Isomer mit Spin/Parität Jπ=19/2^+ mit einer neu gemessenen Halbwertszeit von T1/2=66,6(20) ns bestätigt. Ebenso wurde die Halbwertszeit des Jπ=19/2^+ Isomers in 137Nd mit einem neuen Wert von T1/2=0,38(7) ns entscheidend verbessert. Die neuen Daten, die im Rahmen dieser Arbeit gewonnen wurden, schließen systematische Lücken entlang Isotopen und Isotonenketten. Sie verbessern wesentlich das Verständnis der Kernstruktur in der Umgebung vom doppelt magischen Kern 132Sn. Schließlich motivieren theoretische Fortschritte in den Schalenmodellrechnungen eine verfeinerte systematische Untersuchung dieser Region. Interaktionen wie GCN50:82, Realistic SM und PQM130 sind in der Lage die bisherigen Einschränkungen der Schalenmodellrechnungen in dieser Region zu überwinden. Die Ergebnisse dieser Interaktionen reproduzieren die experimentellen Ergebnisse und liefern eine detaillierte mikroskopische Beschreibung der Hochspin-Eigenschaften und der Evolution der Kernstruktur in Richtung des N=82 Schalenabschlusses. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kaya, Levent lkaya@ikp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-108864
Date:	14 April 2020
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Nuclear Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Nuclear physics, gamma-ray spectroscopy with the Advanced Gamma-ray Tracking Array (AGATA) and the HORUS array, magnetic spectrometer PRISMA, multinucleon transfer, shell model, isomers, high-spin structure of 137Nd, 137Ba, 136Ba, 135Ba, 134Ba, 133Ba, 133Xe, 131Xe, and 130I English
Date of oral exam:	10 January 2020
Referee:	Name Academic Title Reiter, Peter Prof. Dr. Zilges, Andreas Prof. Dr. Kröll, Thorsten Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10886