In-beam gamma-ray spectroscopy of two-step fragmentation reactions at relativistic energies - The case of 36Ca

Doornenbal, Pieter (2007). In-beam gamma-ray spectroscopy of two-step fragmentation reactions at relativistic energies - The case of 36Ca. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

A two-step fragmentation experiment has been performed at GSI with the RISING setup. It combines the fragment separator FRS, which allows for the production of radioactive heavy ions at relativistic energies, with a high resolution g-spectrometer. This combination offers unique possibilities for nuclear structure investigations like the test of shell model predictions far from stability. Within the present work the question if the N = 14(16)shell stabilisation in Z = 8 oxygen isotopes and the N = 20 shell quenching in 32Mg are symmetric with respect to the isospin projection quantum number Tz has been addressed. New gamma-ray decays were found in the neutron deficient 36Ca and 36K by impinging a radioactive ion beam of 37Ca on a secondary 9Be target. The fragmentation products were selected with the calorimeter telescope CATE and the emitted g-rays were measured with Ge Cluster, MINIBALL, and BaF2 HECTOR detectors. For 36Ca the 2+ -> 0+ transition energy was determined to be 3015(16) keV, which is the heaviest T = 2 nucleus from which gamma-spectroscopic information has been obtained so far. A comparison between the experimental 2+ energies of 36Ca and its mirror nucleus 36S yielded a mirror energy difference of MED = -276(16) keV. In order to understand the large MED value, the experimental single-particle energies from the A=17, T =1/2 mirror nuclei were taken and applied onto modified isospin symmetric USD interactions in shell model calculations. These calculations were in agreement with the experimental result and showed that the experimental single-particle energies may account empirically for the one body part of Thomas-Ehrman and/or Coulomb effects. A method to extract the lifetime of excited states in fragmentation reactions was investigated. Therefore, the dependence between the lifetime of an excited state and the average de-excitation velocity and trajectory of the nuclei in relativistic fragmentation experiments has been studied. Known lifetime values in 34Cl could be confirmed and new values were found for 36K.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

Language

Ein zweistufiges Fragmentationsexperiment wurde an der GSI mit dem RISING-Aufbau durchgeführt. Dieser Aufbau verbindet den Fragment-Separator FRS zur Herstellung von instabilen, relativistischen Schwerionen mit einem hochauflösenden gamma-Spektrometer und bietet daher einzigartige Möglichkeiten, die Struktur exotischer Kerne z.B. im Rahmen des Schalenmodells zu studieren. In dieser Arbeit wurde die Frage, ob die Stabilisierung der Schale bei N = 14(16) für Z = 8 Sauerstoff-Isotope und das Verschwinden des N = 20 Schalenabschlusses in 32Mg unterhalb der Z = 14,16 Unterschalen in Bezug auf die z-Komponente Tz der Isospin-Quantenzahl T symmetrisch sind, untersucht. Neue g-Zerfälle konnten in den neutronenarmen 36Ca und 36K gefunden werden, indem ein radioaktiver 37Ca Strahl auf ein sekundäres 9Be Target traf. Die dabei auftretenden Fragmentationsprodukte wurden mit dem Kalorimeter-Teleskop CATE identifiziert, während gamma-Strahlen mit Ge-Cluster-, Ge-MINIBALL- und BaF2-HECTOR-Detektoren gemessen wurden. Im Falle von 36Ca wurde die 2+ -> 0+ Übergangsenergie auf 3015(16) keV bestimmt. Dies ist der schwerste T = 2 Kern, von dem bislang g-spektroskopische Informationen gewonnen werden konnten. Ein Vergleich der experimentellen 2+1 Energien von 36Ca und seinem Spiegelkern 36S ergab einen Wert von MED = −276(16) keV für die Spiegelkern-Energiedifferenz MED. Um diesen großen MED-Wert zu verstehen, wurden die experimentellen Einteilchenenergien der A = 17, T = 1/2 Spiegelkerne herangezogen und in Schalenmodellrechnungen auf modifizierte isospin-symmetrische USD-Wechselwirkungen angewendet. Diese Rechnungen stimmten mit dem experimentellen Befund eines großen MED-Wertes überein und zeigten, dass die experimentellen Einteilchenenergien empirisch durch Thomas-Ehrman und/oder Coulomb-Effekte erklärt werden können. Eine Methode zur Bestimmung von Lebensdauern angeregter Kernzustände in Fragmentationsreaktionen wurde untersucht. Dazu wurde die Abhängigkeit zwischen der Lebensdauer und der durchschnittlichen Geschwindigkeit bzw. Richtung der Schwerionen während des Zerfalls bei relativistischen Energien studiert. Bekannte Lebensdauerwerte in 34Cl konnten bestätigt werden, während in 36K neue Werte gefunden wurden.

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