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Electromagnetic Properties of $^\text{21}$O and the Self-Calibration of Compton Tracking Arrays

Heil, Sebastian (2019):
Electromagnetic Properties of $^\text{21}$O and the Self-Calibration of Compton Tracking Arrays.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8810],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

The structure of exotic nuclei and in particular electromagnetic transitions between bound excited states are key spectroscopic observables, which provide an unparalleled testing ground for state-of-the-art nuclear interactions. Motivated by conflicting predictions from phenomenological and realistic nuclear interactions, this thesis reports on the measurement of the lifetime of the first excited state in O-21 and the branching ratio of its second excited state. The experiment was performed at the NSCL, using the S800 spectrograph for the detection of the reaction products. GRETINA was used for the gamma-ray detection and the TRIPLEX plunger setup guaranteed sensitivity to the lifetime. Measurements were taken using a Be-9 target, as well as a target degrader combination at 25\,mm and 45\,mm separation with a Ta-181 foil as the degrader. All measurements are compared to simulated spectra. The thereby measured lifetime results in $\tau_{1/2^+}{=}420^{+35}_{-32}\text{(stat)}^{+34}_{-12}\text{(sys)}\,$ps, while the branching ratio is determined as $\text{BR}\left(\jp*{3}{+}\hspace{-2pt}{\rightarrow}\jp*{1}{+}\right){=}(11.7 \pm 1.2)\,\%$. Comparisons are drawn to predictions from effective shell-model calculations based on the USDB interaction, as well as to ab-initio calculations building upon IM-SRG with interactions derived from chiral EFT.

Furthermore, this thesis reports on the development of a novel and notably simple method to generate a reliable, experimental signal basis for Compton tracking arrays, such as GRETINA and AGATA. These detector systems use the signal basis for the position reconstruction of interactions inside the detector volume. However, obtaining a high-fidelity signal basis for such detector systems remains a big technological challenge, which hinders their optimal operation. The proposed method uses the surrounding detectors to iteratively calibrate each other by exploiting the characteristics of Compton scattering. This enables Compton tracking arrays to perform a self-calibration of their position sensitive response in-situ, opening up the way for reaching their optimum performance for the first time.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Heil, Sebastian
Title: Electromagnetic Properties of $^\text{21}$O and the Self-Calibration of Compton Tracking Arrays
Language: English
Abstract:

The structure of exotic nuclei and in particular electromagnetic transitions between bound excited states are key spectroscopic observables, which provide an unparalleled testing ground for state-of-the-art nuclear interactions. Motivated by conflicting predictions from phenomenological and realistic nuclear interactions, this thesis reports on the measurement of the lifetime of the first excited state in O-21 and the branching ratio of its second excited state. The experiment was performed at the NSCL, using the S800 spectrograph for the detection of the reaction products. GRETINA was used for the gamma-ray detection and the TRIPLEX plunger setup guaranteed sensitivity to the lifetime. Measurements were taken using a Be-9 target, as well as a target degrader combination at 25\,mm and 45\,mm separation with a Ta-181 foil as the degrader. All measurements are compared to simulated spectra. The thereby measured lifetime results in $\tau_{1/2^+}{=}420^{+35}_{-32}\text{(stat)}^{+34}_{-12}\text{(sys)}\,$ps, while the branching ratio is determined as $\text{BR}\left(\jp*{3}{+}\hspace{-2pt}{\rightarrow}\jp*{1}{+}\right){=}(11.7 \pm 1.2)\,\%$. Comparisons are drawn to predictions from effective shell-model calculations based on the USDB interaction, as well as to ab-initio calculations building upon IM-SRG with interactions derived from chiral EFT.

Furthermore, this thesis reports on the development of a novel and notably simple method to generate a reliable, experimental signal basis for Compton tracking arrays, such as GRETINA and AGATA. These detector systems use the signal basis for the position reconstruction of interactions inside the detector volume. However, obtaining a high-fidelity signal basis for such detector systems remains a big technological challenge, which hinders their optimal operation. The proposed method uses the surrounding detectors to iteratively calibrate each other by exploiting the characteristics of Compton scattering. This enables Compton tracking arrays to perform a self-calibration of their position sensitive response in-situ, opening up the way for reaching their optimum performance for the first time.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Experimental Nuclear Structure Physics with Exotic Ion Beams
Date Deposited: 22 Sep 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8810
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-88106
Referees: Petri, Dr. Marina and Aumann, Prof. Dr. Thomas
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 20 February 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Die Struktur exotischer Kerne, insbesondere die elektromagnetischen Übergänge zwischen gebundenen, angeregten Zuständen, bilden eine entscheidende Grundlage zum Testen neuester Interaktionen für kernphysikalische Modelle. Motiviert durch widersprüchliche Vorhersagen basierend auf phänomenologischen und realistischen Interaktionen, berichtet diese Arbeit von der Messung der Lebenszeit des ersten angeregten Zustands in O-21 und des Verzweigungsverhältnisses des zweiten angeregten Zustands. Die Messung wurde am NSCL durchgeführt. Zur Identifikation der Reaktionsprodukte wurde der S800 Spektrograph eingesetzt, während GRETINA zur Detektion der entstehenden $\gamma$ Strahlung verwendet wurde. Die Messung der Lebenszeit wurde dabei durch den Einsatz des TRIPLEX Plungers ermöglicht. Als Target wurde eine Be-9 Folie verwendet, als Degrader eine Ta-181 Folie. Es wurden sowohl Messungen nur mit dem Target durchgeführt als auch solche mit einer Kombination aus Target und Degrader, wobei die Abstände der beiden Folien hierbei 25\,mm und 45\,mm betrugen. Die dabei aufgenommenen Energiespektren werden mit simulierten Spektren verglichen. Die so erhaltene Lebenszeit beläuft sich auf $\tau_{1/2^+}{=}420^{+35}_{-32}\text{(stat)}^{+34}_{-12}\text{(sys)}\,$ps, während sich das Verzweigungsverhältnis zu $\text{BR}\left(\jp*{3}{+}\hspace{-2pt}{\rightarrow}\jp*{1}{+}\right){=}(11.7 \pm 1.2)\,\%$ ergibt. Die Ergebnisse werden verglichen mit Schalenmodellrechnungen mit der effektiven USDB Interaktion sowie Ab-Initio-Rechnungen basierend auf der IM-SRG und der chiralen EFT. Des Weiteren berichtet diese Arbeit von der Entwicklung eines neuen und bemerkenswert schlichten Verfahrens zum Erstellen einer experimentellen Basis an Referenzsignalen für Compton tracking arrays, wie zum Beispiel GRETINA und AGATA. Diese Basis wird dazu verwendet, die Interaktionspunkte der $\gamma$ Strahlung innerhalb des Detektorvolumens zu bestimmen. Das Erzeugen einer hochauflösenden Basis für solche Detektorsysteme erweist sich jedoch als ausgesprochen schwierig und ist ein limitierender Faktor für die Positionsauflösung dieser Systeme. Das vorgestellte Verfahren nutzt die Charakteristik der Comptonstreuung zusammen mit den Interaktionen in den umliegenden Detektoren, um die Detektoren in iterativer Weise gegenseitig zu kalibrieren. Damit ist es möglich, eine Selbstkalibrierung der Compton tracking arrays durchzuführen und die Positionsauflösung dieser Detektorsysteme erstmals an ihre intrinsische Grenze zu führen.German
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