Universität zu Köln

Werner, Volker (2004). Proton-neutron symmetry at the limits of collectivity. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Two limiting cases of proton-neutron collectivity in nuclear structure are addressed in this work. One of them is the so called limit of weak collectivity, where only a few valence nucleons are present in a nucleus with a well defined core. Such nuclei exhibit single particle degrees of freedom, as well collective ones, which are represented in their level schemes. Low-lying symmetric and mixed-symmetric states probe the proton-neutron structure in medium mass and heavy nuclei. Symmetric means protons and neutrons being in phase, whereas they are not completely in phase in mixed-symmetric states. Such states are also found in another limit of collectivity, the rotational limit, in well-deformed mid-shell nuclei with many valence nucleons. The best known example for a mixed-symmetric state in this case is the scissors mode. A photon scattering experiment was performed on 92Zr, a nucleus with only two valence protons and two valence neutrons with respect to the inert core 88Sr. Nine states have been observed, five of them for the first time and two of them are candidates for the mixed-symmetric two-phonon 1+ state and the quadrupole octupole coupled two-phonon 1- state, respectively. For all the states lifetimes were determined for the first time, and six new spin assignments were made. The primary aim was the determination of the the lifetime of the 2+2 state which was shown to be small in the range of 100 fs. From a comparison of the experimental results with the shell model, including data of subsequent experiments, the 2+1 and 2+2 states are identified as the building blocks of symmetric and mixed-symmetric states, with pronounced neutron and proton character, respectively. Despite the appearance of shell effects and severely broken F-spin, quadrupole collectivity is found to be dominant for both states. The rare earth isotope 164Dy was investigated with a combination of resonant photon scattering experiments using unpolarized continuous bremsstrahlung, as well as polarized photons with well defined energies produced by a free electron laser. These experiments resulted in the observation of 34 states, ten of them new, and their lifetimes. gamma-rays from decays of dipole excited states above 3 MeV to the 2+ band head of the gamma-band were identified. One of the parent states is a main fragment of the scissors mode and the observation of its decay to the 2+gamma state is the first time that such a decay is observed in a rotational nucleus. From the discovery of one of the new states, ambiguities in the level scheme were resolved.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Proton-Neutron Symmetrie an den Limits der Kollektivität German
Translated abstract:	Abstract Language Zwei Grenzfälle der Proton-Neutron Kollektivität in der Kernstruktur werden in dieser Arbeit behandelt. Einer ist der sogenannte Grenzfall der schwachen Kollektivität, in dem ein Kern nur wenige Valenznukleonen außerhalb einer abgeschlossenen Hauptschale hat. Solche Kerne weisen sowohl Einteilchen-, als auch kollektive Freiheitsgrade auf, die sich in ihrem Zustandsschema wiederspiegeln. Niedrigliegende symmetrische und gemischtsymmetrische Zustände sind eine Sonde für die Proton-Neutron Struktur in mittelschweren und schweren Kernen. Symmetrisch heißt, daß Protonen und Neutronen in Phase sind, während sie dies in gemischtsymmetrischen Zuständen nicht vollständig sind. Solche Zustände sind auch in einem anderen Grenzfall der Kollektivität bekannt, dem Rotations-Limit, in wohldeformierten Kernen mit vielen Valenznukleonen in der Nähe der Schalenmitte. Das bekannteste Beispiel für einen gemischtsymmetrischen Zustand in diesem Fall ist die Scherenmode. Ein Photonenstreuexperiment wurde an 92Zr durchgeführt, einem Kern mit nur zwei Valenzprotonen und zwei Valenzneutronen, unter Berücksichtigung eines Schalenabschlusses bei 88Sr. Neun Zustände, davon fünf bisher unbekannte, wurden beobachtet, wovon zwei Kandidaten für den gemischtsymmetrischen Zwei-Phononen 1+ Zustand, bzw. den Quadrupol-Oktupol gekoppelten Zwei-Phononen 1- Zustand sind. Für alle beobachteten Zustände wurden erstmalig Lebensdauern bestimmt. In sechs Fällen wurden Zuständen neue Spins zugewiesen. Das Hauptziel des Experiments war die Bestimmung der Lebensdauer des 2+2 Zustands im Bereich von 100 fs. Durch einen Vergleich mit dem Schalenmodell, unter Einbeziehung von Daten aus nachfolgenden Experimenten, werden der 2+1 und der 2+2 Zustand als die Grundbausteine von symmetrischen und gemischtsymmetrischen Zuständen identifiziert, mit ausgeprägtem Neutronen- und Protonencharakter. Trotz des Auftretens von Schaleneffekten und stark gebrochenem F-Spin stellt sich eine dominierende Quadrupolkollektivität für beide Zustände heraus. Das Seltene-Erden-Isotop 164Dy wurde mittels einer Kombination von Experimenten in resonanter Photonenstreuung untersucht, sowohl unter Verwendung von unpolarisierten Photonen aus kontinuierlicher Bremsstrahlung, als auch polarisierten Photonen wohldefinierter Energie, produziert von einem Freie-Elektronen-Laser. Diese Experimente resultierten in der Beobachtung von 34 Zuständen, zehn davon erstmalig, und ihren Lebensdauern. gamma-Übergänge aus den Zerfällen von angeregten Dipolzuständen oberhalb von 3 MeV zum 2+ Kopf der gamma-Bande wurden identifiziert. Einer der zerfallenden Zustände ist ein Hauptfragment der Scherenmode, und die Beobachtung seines Zerfalls zum 2+gamma Zustand ist die erstmalige Beobachtung eines solchen Zerfalls in einem Rotationskern. Durch die Entdeckung eines der neuen Zustände wurden Widersprüche im Zustandsschema aufgelöst. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Werner, Volker vw@ikp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-12133
Date:	2004
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 Kernstruktur , gemischtsymmetrisch , Scherenmode , kollektiv , Phonon German nuclear structure , mixed-symmetry , scissors mode , collective , phonon English
Date of oral exam:	5 February 2004
Referee:	Name Academic Title Brentano, Peter von Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1213