High-resolution study of the Gamow-Teller strength distribution in the light nuclei 9B and 13N using the (3He,t) charge-exchange reaction at 420 MeV beam energy

Scholl, Clemens (2010). High-resolution study of the Gamow-Teller strength distribution in the light nuclei 9B and 13N using the (3He,t) charge-exchange reaction at 420 MeV beam energy. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Excited states in the light nuclei 9B and 13C were studied using the (3He,t) charge-exchange reaction on 9Be and 13C targets. The measurements were performed at the research center for nuclear physics (RCNP) in Osaka, Japan, using the magnetic spectrometer Grand Raiden and the dispersive WS course. The 3He beam with an energy of 420 MeV was accelerated by the RCNP Ring Cyclotron. The Grand Raiden spectrometer and the WS course allow to study the (3He,t) charge-exchange reaction with an energy resolution of around 30 keV, which is one order of magnitude better than measurements with the (p,n) charge-exchange reaction. The high resolution allows to better separate individual states and to determine weak excitation strenghts because of low background in the spectra. A total of 19 states in 13N were studied, and a total of 20 states were observed in 9B. Of these, 9 states in 13C and 10 states in 9B were identified as being excited by a Gamow-Teller transition. Charge-exchange reactions are related to beta-decay, and at zero momentum transfer a simple proportionality exists between the cross-section of the charge-exchange experiment and the Fermi (F) or Gamow-Teller (GT) beta-decay strength. While the Fermi strength B(F) is concentrated in the transition to the isobaric analog state, the Gamow-Teller strength B(GT) is scattered among the excited states. The main aim of the present study is to determine the B(GT) strengths in the nuclei 9B and 13N. The only charge-exchange study of 9B was made 30 years ago with the (p,n) reaction and a resolution of around 300-400 keV. Many states, especially at high excitation energy, could not be resolved by that study. The present work was able to separate many weakly excited states with small decay width at high excitation energies (12-19 MeV) in 9B and determine the B(GT) strength distribution by using recent high-precision beta-decay data. The results point to a strong difference in spatial structure between the low-lying levels of 9B and the levels with high excitation energy. This result is also corroborated by beta-decay measurements and theoretical calculations. Furthermore, the information on excitation energies and decay widths in both nuclei could significantly be improved. The nucleus 13N has last been studied in 2001 using the (p,n) reaction. A (3He,t) experiment was also performed at the RCNP Osaka a few years ago (2004), however with a lower resolution of around 300 keV. In the present work, the (3He,t) reaction with high resolution (30 keV) was used to determine the B(GT) strength distribution in 13N. The target enrichment and high resolution of the spectrum allowed to isolate the T=3/2 state at 15.1 MeV from the 12N ground state and thus provide a high-precision analysis of the GT strength distribution in 13N.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Untersuchung der Verteilung der Gamow-Teller Stärke in den leichten Kernen 9B und 13N mit hoher Auflösung mittels der (3He,t) Ladungsaustauschreaktion bei 420 MeV Strahlenergie	German

Translated abstract:

Abstract

Language

In dieser Arbeit wurden angeregte Zustände in den leichten Kernen 9B und 13N mit Hilfe der (3He,t) Ladungsaustauschreaktion untersucht. Dazu wurden am research center for nuclear physics (RCNP) in Osaka, Japan Targets aus 9Be und 13C mit 3He-Kernen beschossen, die durch das RCNP Ring-Zyklotron auf 420 MeV beschleunigt wurden. Die Tritonen wurden mit dem Magnetspektrometer Grand Raiden analysiert. Mit Hilfe des Grand Raiden Spektrometers und der dispersiven Strahlführung im ''WS course'' des RCNP ist es möglich die (3He,t) Reaktion mit rund 30 keV Energieauflösung zu untersuchen, was rund eine Größenordnung besser ist als die Auflösung die mit der (p,n) Ladungsaustauschreaktion erzielbar ist. Die hohe Auflösung erlaubt es Zustände besser zu trennen und schwache Anregungen aufzuspüren. Insgesamt wurden 19 Zustände in 13N und 20 Zustände in 9B untersucht. In 13N wurden 9 dieser Zustände und in 9B 10 dieser Zustände als Gamow-Teller Anregungen identifiziert. Ladungsaustauschreaktionen sind mit dem Betazerfall verwandt, und bei verschwindendem Impulsübertrag existiert eine einfache Proportionalität zwischen dem Wirkungsquerschnitt der Ladungsaustauschreaktion und der Fermi (F) oder Gamow-Teller (GT) Stärke im Betazerfall. Während die Fermi Stärke B(F) im Übergang in den isobaren Analogzustand konzentriert ist, verteilt sich die Gamow-Teller Stärke B(GT) auf die angeregten Zustände. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Bestimmung von B(GT) Stärken in den Kernen 9B und 13N. Die einzige Studie des Kerns 9B mit Hilfe einer Ladungsaustauschreaktion wurde vor 30 Jahren mit der (p,n) Reaktion durchgeführt. Viele Zustände, vor allem bei hoher Anregungsenergie, konnten in dieser Studie nicht aufgelöst werden. In dieser Arbeit konnten viele schwach angeregte Zustände mit kleinen Zerfallsbreiten bei hohen Anregungsenergien (12-19 MeV) getrennt beobachtet werden. Die Verteilung der B(GT) Stärken wurde ebenfalls bestimmt mit Hilfe neuer Daten aus dem Betazerfall von 9C und 9Li. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es starke Unterschiede in der Kernstruktur der niedrigliegenden Zustände von 9B und den hochangeregten Zuständen gibt. Dieses Ergebnis wird auch durch theoretische Rechnungen und Daten aus dem Betazerfall bestätigt. Darüber hinaus konnte die Information über Anregungsenergien und Zerfallsbreiten in beiden Kernen signifikant verbessert werden. Der Kern 13N wurde zuletzt 2001 mit Hilfe der (p,n) Reaktion untersucht. Ein (3He,t) Experiment wurde ebenfalls vor einigen Jahren (2004) am RCNP Osaka durchgeführt, allerdings mit niedrigerer Auflösung von rund 300 keV. In dieser Arbeit wurde die (3He,t) Reaktion mit hoher Auflösung (30 keV) benutzt um die Verteilung der B(GT) Stärken in 13N zu bestimmen. Die Targetanreicherung und die hohe Auflösung der Spektren erlaubte es den T=3/2 Zustand bei 15.1 MeV vom 12N Grundzustand zu trennen und ermöglichte somit eine präzise Untersuchung der Verteilung der GT Stärke in 13N.

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