Universität zu Köln

Arnswald, Konrad ORCID: 0000-0001-9222-8253 (2021). Collectivity along the N=Z line: Lifetime studies in self-conjugate even-even nuclei in the 0f7/2 shell. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Nuclear level lifetimes and corresponding reduced transition strengths are signatures for collective properties of atomic nuclei. They allow for stringent tests of modern shell-model interactions. Self-conjugate nuclei (with equal numbers of protons and neutrons) provide special access to nuclear-structure phenomena such as the isospin symmetry. Along the N=Z line, these features can be studied for spherical nuclei in the vicinity of shell-closures and for well-deformed nuclei with various shapes. Within this work lifetimes and reduced transition strengths are investigated in 44Ti, 48,50Cr, 52Fe, and 56Ni. These nuclei are located in the 0f7/2 orbital of the lower pf shell between the doubly-magic shell closures 40Ca and 56Ni. Lifetime measurements were performed at the FN tandem accelerator at the Institute for Nuclear Physics (University of Cologne, Germany) combining a setup of twelve high-purity germanium detectors and the Cologne coincidence-plunger device. Excited states in the nuclei of interest were populated via favorable fusion-evaporation reactions. Lifetimes in the range of several hundreds femtoseconds up to one hundred picoseconds were determined utilizing the Doppler-shift attenuation method and the recoil-distance Doppler-shift technique. The deduced reduced transition probabilities expressed with B(σλ) values are compared within the systematics along their isotopic and isotonic chains. Within this comparison, the experimental findings show an enhanced collective behavior for the 2+ states in 44Ti, 48Cr, and 52Fe as well as for the 4+ and 6+ states in the doubly-magic nucleus 56Ni. Further studies on 44Ti address the impact of multi-particle multi-hole cross-shell configurations on the experimental spectrum. Lifetimes of the 3- and 4- states are determined and are confronted with previous, in part preliminary, values. Large deviations are found for the 4- state which lifetime appeared to be 28 times larger than originally measured. The finite E1 strength of the 3- -> 2+ transition gives indication of isospin-symmetry breaking in this nucleus. All experimental values are confronted with results from shell-model calculations utilizing the established GXPF1A, FPD6, and KB3G effective interactions complemented by the novel PFSDG-U interaction. Moreover, valence ab-initio calculations are performed using modern Hamiltonians derived from chiral perturbation theory with and without contributions of three-body forces. For sake of completeness, the ZBM2M interaction within the pn-symmetric 1s1/2 0d3/2 0f7/2 1p3/2 model space is used to calculate negative-parity states and to investigate cross-shell excitations in 44Ti. The newly determined B(E2) values in doubly-magic 56Ni are used to compare with theoretical predictions in the N=Z doubly-magic partner nucleus 100Sn. For this purpose, a large-scale shell-model calculation using the gds valence space as well as results from a Hartree-Fock random-phase approximation are utilized. The combined results could indicate higher B(E2; 6+ -> 4+) values for 100Sn which would contradict the assumption of a 6+ isomer in this nucleus.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Nukleare Lebensdauern und entsprechende reduzierte Übergangsstärken sind Signaturen für kollektive Eigenschaften von Atomkernen. Sie ermöglichen strenge Tests moderner Schalenmodellinteraktionen. Selbstkonjugierte Atomkerne (mit gleicher Anzahl von Protonen und Neutronen) liefern einen besonderen Zugang zu Kernstrukturphänomenen wie zum Beispiel der Isospinsymmetrie. Entlang der N=Z-Kette können diese Eigenschaften von sphärische Kernen in der Nähe von Schalenabschlüssen ebenso wie von wohldeformierten Kernen unterschiedlicher Formen untersucht werden. In dieser Arbeit werden Lebensdauern und reduzierte Übergangsstärken in 44Ti, 48,50Cr, 52Fe und 56Ni untersucht. Diese Kerne befinden sich in dem 0f7/2-Orbital der unteren pf-Schale zwischen den doppelt-magischen Schalenabschlüssen 40Ca und 56Ni. Lebensdauermessungen wurden am FN-Tandem-Beschleuniger am Institut für Kernphysik (Universität zu Köln, Deutschland) durchgeführt, wobei ein Aufbau von zwölf hochreinen Germaniumdetektoren mit dem Kölner Koinzidenzplunger kombiniert wurde. Angeregte Zustände in den Kernen von Interesse wurden über geeignete Fusionsverdampfungsreaktionen bevölkert. Lebensdauern im Bereich von einigen hundert Femtosekunden bis zu einhundert Pikosekunden wurden unter Verwendung der Doppler-shift attenuation Methode und der recoil-distance Doppler-shift Technik bestimmt. Ermittelte reduzierte Übergangsstärken, ausgedrückt durch B(σλ)-Werte, werden mit Systematiken entlang ihrer Isotopen- und Isotonenketten verglichen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen innerhalb dieses Vergleichs ein erhöhtes kollektives Verhalten für die 2+-Zustände in 44Ti, 48Cr und 52Fe sowie für die 4+- und 6+-Zustände im doppelt-magischen Kern 56Ni. Weitere Studien zu 44Ti beziehen sich auf den Einfluss von schalenübergreifenden Mehr-Teilchen Mehr-Loch Konfigurationen auf das experimentelle Spektrum. Lebensdauern von den 3-- und 4--Zuständen werden bestimmt und früheren, zum Teil vorläufigen, Werten gegenübergestellt. Große Abweichungen werden dabei für den 4--Zustand gefunden, dessen Lebensdauer sich um einen Faktor von 28 größer darstellt als ursprünglich gemessen. Die endliche E1-Stärke des 3- -> 2+-Übergangs gibt Hinweis auf eine Isospinsymmetriebrechung in diesem Kern. Alle experimentellen Werte werden mit Ergebnissen von Schalenmodellrechnungen konfrontiert, unter Verwendung der etablierten GXPF1A, FPD6 und KB3G effektiven Wechselwirkungen, ergänzt um die neuartige PFSDG-U-Interaktion. Des Weiteren werden Valenz-Ab-initio-Rechnungen durchgeführt, welche einen modernen Hamiltonian benutzen, der aus chiraler Störungstheorie, mit und ohne Beiträge von Dreikörperkräften, hergeleitet wurde. Zur Vollständigkeit wird die ZBM2M-Wechselwirkung innerhalb des pn-symmetrischen 1s1/2 0d3/2 0f7/2 1p3/2-Modellraums genutzt, um Zustände negativer Parität zu berechnen und um schalenübergreifende Anregungen in 44Ti zu untersuchen. Die neu bestimmten B(E2)-Werte im doppelt-magischen 56Ni werden mit theoretischen Vorhersagen im N=Z doppelt-magischen Partnerkern 100Sn verglichen. Hierfür werden eine großskalige Schalenmodellrechnung unter Verwendung des gds-Valenzraums sowie Ergebnisse von Hartree-Fock Random-Phase Approximationen genutzt. Die vereinigten Ergebnisse könnten Hinweise auf einen höheren B(E2; 6+ -> 4+)-Wert in 100Sn geben, was der Vermutung eines 6+-Isomers in diesem Kern entgegensteht. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Arnswald, Konrad konrad.arnswald@ikp.uni-koeln.de orcid.org/0000-0001-9222-8253 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-546076
Date:	2021
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 structure, gamma-ray spectroscopy, even-even nuclei, N=Z, doubly-magic nuclei, lifetime measurements, RDDS, DSAM, shell-model English
Date of oral exam:	29 November 2021
Referee:	Name Academic Title Reiter, Peter Prof. Dr. Jolie, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/54607