Universität zu Köln

Goldkuhle, Alina ORCID: 0000-0003-4402-7494 (2020). Investigation of the shell evolution in neutron-rich titanium nuclei using reduced transition strengths. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

This work describes experimental studies that contribute to the understanding of the shell structure in the Ti-Cr-Fe region beyond N=28. For exotic nuclei, as examined in this thesis, significant changes in the shell structure may occur. Therefore, such nuclei offer the possibility to investigate the properties and validity of nuclear models under extreme conditions. From the experimental data available so far on the 2+ states in N=32 isotones, the occurrence of a phase transition from predominant collective structures in 58Fe to a neutron subshell closure is predicted, which evolves as the number of protons in the πf7/2 orbital reduces, i.e. of 56Cr-> 54Ti->52Ca, due to the weakening of the monopole interaction between the πf7/2 orbital of protons and the vf5/2 orbital of neutrons. However, modern shell-model calculations with different interactions, e.g. the GXPF1A, KB3G and FPD6 interactions, were not able to satisfactorily describe the observed staggering of the B(E2;2+ -> 0+) values in 50,52,54Ti, which probably results from neutron subshell closures. Therefore, in this work reduced transition probabilities of the lowest transitions of the respective ground-state bands in 46,50,52,53,54Ti were investigated experimentally by lifetime measurements, partly for the first time. The multinucleon-transfer reaction mechanism, which is a promising approach to the production of difficult to access and exotic atomic nuclei, was applied to study the evolution from nuclei in the valley of stability towards neutron-rich exotic Ti isotopes at the Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL) in Caen, France: In the Cologne plunger for deep-inelastic reactions, a radioactive 238U beam with an energy of 6.76 MeV/u impinged on a stretched 50Ti target with nat Cu layer in front of the target, while a nat Mg degrader foil was used to decelerate the reaction products for measuring lifetimes using the Recoil Distance Doppler-shift (RDDS) technique. The reaction products of interest were identified with the magnetic spectrometer VAMOS++, while the gamma radiation was measured with the gamma tracking array AGATA. During this experiment beam-induced changes of the target occurred. These resulted in the fact that the distances between the target and degrader foil could not be extracted exactly, which are essential for an RDDS lifetime analysis. Therefore, another RDDS experiment was performed at the Cologne FN tandem accelerator using a fusion-evaporation reaction. The aim of this experiment was to determine the lifetimes of the 2+ and 4+ states of the ground-state band in the stable nucleus 46Ti with high precision, in order to subsequently determine the unknown distances between the target and degrader foil of the experiment performed at GANIL. This nucleus was chosen because it was populated with sufficient statistics in the multinucleon-transfer reaction at GANIL and the lifetimes of its low-lying states are in the sensitive range for the distances chosen in this experiment. The data from the experiment on 46Ti in Cologne were analyzed using the Differential Decay Curve method in gamma-gamma coincidences. The unknown distances from the GANIL experiment were then determined by comparing the experimental gamma-ray spectra with those generated by Monte-Carlo simulations using the chi-squared method. The lifetimes of the 2+, 4+, 6+ and 8+ in 52,54Ti and the (5/2-), 7/2-, 9/2-, 11/2- and 13/2- states in 53Ti were determined using both the DDCM and the minimum chi-squared method with the distances obtained in this way. Furthermore, a third RDDS measurement was carried out within this work, also at the Cologne FN tandem accelerator, with the aim of determining the lifetime values of the lowest-lying states of the ground-state band in 50Ti. Although this nucleus was also populated during the measurement at GANIL, the additional measurement provided a more precise determination of the lifetimes based on the knowledge of the exact relative distances between the target and degrader foil. The lifetimes were analyzed in a particle-gamma evaluation. The transition probabilities determined from the level lifetimes are interpreted based on shell-model predictions of different interactions in the f7/2, p3/2, f5/2, p1/2 valence space for protons and neutrons.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Untersuchung der Schalenentwicklung in neutronenreichen Titankernen unter Verwendung reduzierter Übergangsstärken German
Translated abstract:	Abstract Language Diese Arbeit beschreibt experimentelle Untersuchungen, die zum Verständnis der Schalenstruktur im Ti-Cr-Fe-Bereich jenseits von N=28 beitragen. Für exotische Kerne, wie sie in dieser Arbeit untersucht werden, können signifikante Änderungen in der Schalenstruktur auftreten. Daher bieten solche Kerne die Möglichkeit, die Eigenschaften und Gültigkeit von Kernmodellen unter extremen Bedingungen zu untersuchen. Aus den bisher verfügbaren experimentellen Daten zu den 2+ Zuständen in N=32-Isotonen wird das Auftreten eines Phasenübergangs von vorherrschenden kollektiven Strukturen in 58Fe zu einem Neutronen-Unterschalenschluss vorhergesagt, der sich mit abnehmender Anzahl der Protonen im πf7/2-Orbital, also von 56Cr-> 54Ti->52Ca, aufgrund der Abschwächung der Monopolwechselwirkung zwischen dem πf7/2-Orbital der Protonen und dem vf5/2-Orbital der Neutronen entwickelt. Moderne Schalenmodellrechnungen mit verschiedenen Wechselwirkungen, z. B. der GXPF1A-, KB3G- und FPD6-Wechselwirkung, waren jedoch nicht in der Lage, die beobachtete Staffelung der B(E2;2+ -> 0+)-Werte in 50,52,54Ti zufriedenstellend zu beschreiben, die wahrscheinlich aus Neutronen-Unterschalenabschlüssen resultiert. Daher wurden in dieser Arbeit reduzierte Übergangswahrscheinlichkeiten der niedrigsten Übergänge der jeweiligen Grundzustandsbanden in 46,50,52,53,54Ti durch Lebensdauermessungen zum Teil erstmalig experimentell untersucht. Der Multinukleonen-Transfer-Reaktionsmechanismus, der einen vielversprechenden Ansatz zur Herstellung schwer zugänglicher und exotischer Atomkerne darstellt, wurde angewandt, um die Entwicklung von Kernen im Tal der Stabilität zu neutronenreichen exotischen Ti-Isotopen am Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL) in Caen, Frankreich, zu untersuchen: Im Kölner Plunger für tief-inelastische Reaktionen prallte ein radioaktiver 238U-Strahl mit einer Energie von 6,76 MeV/u auf ein gespanntes 50Ti-Target mit nat Cu-Schicht vor dem Target, während eine nat Mg-Degrader-Folie zur Abbremsung der Reaktionsprodukte für die Messung der Lebensdauern mit der Recoil Distance Doppler-shift (RDDS)-Technik verwendet wurde. Die interessierenden Reaktionsprodukte wurden mit dem Magnetspektrometer VAMOS++ identifiziert, während die Gammastrahlung mit dem Gamma-Tracking-Array AGATA gemessen wurde. Während dieses Experiments traten strahleninduzierte Veränderungen des Targets auf. Diese führten dazu, dass die Abstände zwischen Target und Degrader-Folie nicht exakt extrahiert werden konnten, die für eine RDDS-Lebensdaueranalyse unerlässlich sind. Daher wurde ein weiteres RDDS-Experiment am Tandembeschleuniger der Kölner FN mit einer Fusions-Verdampfungsreaktion durchgeführt. Ziel dieses Experiments war es, die Lebensdauern der 2+- und 4+-Zustände der Grundzustandsbande im stabilen Kern 46Ti mit hoher Präzision zu bestimmen, um anschließend die unbekannten Abstände zwischen Target- und Degraderfolie des am GANIL durchgeführten Experiments zu ermitteln. Dieser Kern wurde gewählt, weil er in der Multinukleonen-Transferreaktion bei GANIL mit ausreichender Statistik besiedelt wurde und die Lebensdauern seiner tiefliegenden Zustände im sensitiven Bereich für die in diesem Experiment gewählten Abstände liegen. Die Daten aus dem Experiment an 46Ti in Köln wurden mit der Differential Decay Curve Methode in Gamma-Gamma Koinzidenzen analysiert. Die unbekannten Abstände aus dem GANIL-Experiment wurden dann durch den Vergleich der experimentellen Gammastrahlenspektren mit denen, die durch Monte-Carlo-Simulationen erzeugt wurden, unter Verwendung der Chi-Quadrat-Methode bestimmt. Die Lebensdauern der 2+, 4+, 6+ und 8+ in 52,54Ti und der (5/2-), 7/2-, 9/2-, 11/2- und 13/2- Zustände in 53Ti wurden sowohl mit der DDCM- als auch mit der Chi-Quadrat-Methode mit den so erhaltenen Abständen bestimmt. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit eine dritte RDDS-Messung, ebenfalls am Tandembeschleuniger der Kölner FN, durchgeführt, um die Lebensdauern der tiefstliegenden Zustände des Grundzustandsbandes in 50Ti zu bestimmen. Obwohl dieser Kern auch bei der Messung an GANIL besiedelt war, ermöglichte die zusätzliche Messung eine genauere Bestimmung der Lebensdauern aufgrund der Kenntnis der genauen relativen Abstände zwischen Target und Degraderfolie. Die Lebensdauern wurden in einer Partikel-Gamma-Auswertung analysiert. Die aus den Niveaulaufzeiten ermittelten Übergangswahrscheinlichkeiten werden auf der Basis von Schalenmodellvorhersagen verschiedener Wechselwirkungen im f7/2-, p3/2-, f5/2-, p1/2-Valenzraum für Protonen und Neutronen interpretiert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Goldkuhle, Alina agoldkuhle@ikp.uni-koeln.de orcid.org/0000-0003-4402-7494 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-304461
Date:	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 RDDS, Lebensdauermessung, exotische Kerne, Kernstruktur, Gammaspektroskopie German RDDS, lifetime measurement, exotic nuclei, nuclear structure, gamma-ray spectroscopy English
Date of oral exam:	7 December 2020
Referee:	Name Academic Title Dewald, Alfred Prof. Dr. Zilges, Andreas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/30446