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Extended p₃/₂ neutron orbital and the N=32 shell closure in ⁵²Ca

Enciu, Madalina (2023)
Extended p₃/₂ neutron orbital and the N=32 shell closure in ⁵²Ca.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024471
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

The nuclear shell structure is not universal across the nuclear landscape. The standard shell closures, 2, 8, 20, 28, 50, 82, and 126 can weaken and fade away, while new ones can appear. The numbers of nucleons that correspond to a shell closure are commonly named as magic numbers. An example is the appearance of the N=32 and 34 new neutron magic numbers in the neutron-rich calcium isotopes region. Moreover, experimental measurements show an increase of charge radii and matter radii as one starts filling the 2p3/2 neutron orbital in potassium and calcium isotopes. One hypothesis is that the p neutron orbitals have a large size relative to the f neutron orbitals, and this would explain the measured large charge and matter radii values. The first part of the thesis presents the results of 52Ca(p,pn)51 Ca cross section measurements, supporting the N=32 shell closure in 52 Ca. It focuses also on the determination of the size of the single-particle neutron orbitals in the pf -shell via (p,pn) reactions and momentum distribution analysis. The quasi-free neutron scattering reaction was measured during an experimental campaign at the Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), at the SAMURAI fragment spectrometer, in inverse kinematics at an energy of ∼230 MeV/nucleon in a 15-cm long liquid hydrogen target and using the MINOS TPC. Inclusive and exclusive cross sections to bound states of 51Ca were evaluated using γ-ray spectroscopy measurements, as well as the momentum distributions corresponding to the removal of 1f7/2 and 2p3/2 neutrons were measured. The cross sections, interpreted within the distorted-wave impulse approximation (DWIA) reaction framework, are consistent with a shell closure at the neutron number N=32, found as strong as at N=28 and N=34 in Ca isotopes. The analysis of the momentum distributions leads to a difference of the root-mean-square radii of the 1f7/2 and 2p3/2 neutron orbitals of 0.61(23) fm, in agreement with the modified-shell-model prediction of 0.7 fm suggesting that the large root-mean-square (rms) radius of the 2p 3/2 orbital in neutron-rich Ca isotopes is responsible for the unexpected linear increase of the charge radius with the neutron number. The method for determining the rms radii of the single-particle neutron orbitals via momentum distribution measurements in (p,pn) reactions was further applied for the neighbouring isotopes, 53Ca and 54Ca. The size of the 1f7/2 , 2p3/2 , 2p1/2 , and 1f5/2 neutron orbitals was obtained and showed consistency with the results from 52Ca. The p orbitals show indeed a larger spatial extension compared to the f neutron orbitals (>0.5 fm difference) as a result of this study. The second part of this thesis presents the research and development of a new particle tracker, STRASSE combined with a long liquid hydrogen target, aimed for the study of proton induced quasi-free scattering reactions such as (p,2p) and (p,3p). Despite the improved luminosity, the MINOS system was used only for tracking the reaction vertex inside the liquid hydrogen target. A similar setup allowing particle spectroscopy in addition to γ-ray spectroscopy could provide missing mass information. STRASSE is designed to be used together with CATANA, which is an array of CsI(Na) crystals aimed for measuring the total energy of the protons from the (p,2p) and (p,3p) reactions, as well as to perform γ-ray spectroscopy. This new experimental setup will be able to reconstruct the reaction vertex with sub-mm resolution and to perform missing mass measurements with a resolution of below 2 MeV. The production and testing of the liquid hydrogen target cell for STRASSE will be presented in this thesis, as well as offline and in-beam testing of the readout electronics aimed for STRASSE, using the prototype silicon tracker PFAD.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Enciu, Madalina
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Extended p₃/₂ neutron orbital and the N=32 shell closure in ⁵²Ca
Sprache: Englisch
Referenten: Obertelli, Prof. Dr. Alexandre ; Aumann, Prof. Dr. Thomas
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xii, 185 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 19 Juli 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024471
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24471
Kurzbeschreibung (Abstract):

The nuclear shell structure is not universal across the nuclear landscape. The standard shell closures, 2, 8, 20, 28, 50, 82, and 126 can weaken and fade away, while new ones can appear. The numbers of nucleons that correspond to a shell closure are commonly named as magic numbers. An example is the appearance of the N=32 and 34 new neutron magic numbers in the neutron-rich calcium isotopes region. Moreover, experimental measurements show an increase of charge radii and matter radii as one starts filling the 2p3/2 neutron orbital in potassium and calcium isotopes. One hypothesis is that the p neutron orbitals have a large size relative to the f neutron orbitals, and this would explain the measured large charge and matter radii values. The first part of the thesis presents the results of 52Ca(p,pn)51 Ca cross section measurements, supporting the N=32 shell closure in 52 Ca. It focuses also on the determination of the size of the single-particle neutron orbitals in the pf -shell via (p,pn) reactions and momentum distribution analysis. The quasi-free neutron scattering reaction was measured during an experimental campaign at the Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), at the SAMURAI fragment spectrometer, in inverse kinematics at an energy of ∼230 MeV/nucleon in a 15-cm long liquid hydrogen target and using the MINOS TPC. Inclusive and exclusive cross sections to bound states of 51Ca were evaluated using γ-ray spectroscopy measurements, as well as the momentum distributions corresponding to the removal of 1f7/2 and 2p3/2 neutrons were measured. The cross sections, interpreted within the distorted-wave impulse approximation (DWIA) reaction framework, are consistent with a shell closure at the neutron number N=32, found as strong as at N=28 and N=34 in Ca isotopes. The analysis of the momentum distributions leads to a difference of the root-mean-square radii of the 1f7/2 and 2p3/2 neutron orbitals of 0.61(23) fm, in agreement with the modified-shell-model prediction of 0.7 fm suggesting that the large root-mean-square (rms) radius of the 2p 3/2 orbital in neutron-rich Ca isotopes is responsible for the unexpected linear increase of the charge radius with the neutron number. The method for determining the rms radii of the single-particle neutron orbitals via momentum distribution measurements in (p,pn) reactions was further applied for the neighbouring isotopes, 53Ca and 54Ca. The size of the 1f7/2 , 2p3/2 , 2p1/2 , and 1f5/2 neutron orbitals was obtained and showed consistency with the results from 52Ca. The p orbitals show indeed a larger spatial extension compared to the f neutron orbitals (>0.5 fm difference) as a result of this study. The second part of this thesis presents the research and development of a new particle tracker, STRASSE combined with a long liquid hydrogen target, aimed for the study of proton induced quasi-free scattering reactions such as (p,2p) and (p,3p). Despite the improved luminosity, the MINOS system was used only for tracking the reaction vertex inside the liquid hydrogen target. A similar setup allowing particle spectroscopy in addition to γ-ray spectroscopy could provide missing mass information. STRASSE is designed to be used together with CATANA, which is an array of CsI(Na) crystals aimed for measuring the total energy of the protons from the (p,2p) and (p,3p) reactions, as well as to perform γ-ray spectroscopy. This new experimental setup will be able to reconstruct the reaction vertex with sub-mm resolution and to perform missing mass measurements with a resolution of below 2 MeV. The production and testing of the liquid hydrogen target cell for STRASSE will be presented in this thesis, as well as offline and in-beam testing of the readout electronics aimed for STRASSE, using the prototype silicon tracker PFAD.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Die Struktur der Kernhülle ist in der gesamten Kernlandschaft nicht universell. Die bekannten Schalenabschlüsse 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126 können verschwinden, während neue erscheinen können. Die Anzahl an Nukleonen, die einem Schalenabschluss entsprechen, werden üblicherweise als magische Zahlen bezeichnet. Ein Beispiel ist das Auftreten der neuen magischen Neutronenzahlen N=32 und 34 in der neutronenreichen Calciumisotopenregion. Darüber hinaus zeigen experimentelle Messungen eine Zunahme der Ladungsradien und Massenradien, wenn das 2p3/2 -Neutronenorbital in Kalium- und Calciumisotopen befüllt wird. Eine Hypothese besagt, dass die p-Neutronenorbitale im Vergleich zu den f-Neutronenorbitalen größer sind. Dies würde die gemessenen Ladungs- und Massenradien erklären. Der erste Teil der Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Messungen des Wirkungsquerschnittes von 52Ca(p,pn)51Ca, welche den Schalenabschluss für N=32 in 52Ca unterstützen. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Bestimmung der Größe der Einteilchen-Neutronorbitale in der pf-Schale mittels (p,pn)-Reaktionen und Impulsverteilungsanalyse. Die quasifreie Neutronenstreuungsreaktion wurde während einer experimentellen Kampagne in der Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF) am SAMURAI-Fragmentspektrometer in inverser Kinematik bei einer Energie von ∼230 MeV/Nukleon in einem 15 cm langen Flüssigwasserstoff-Target unter Verwendung des MINOS TPC gemessen. Inklusive und exklusive Wirkungsquerschnitte zu gebundenen Zuständen von 51 Ca wurden mithilfe von γ-Strahlenspektroskopiemessungen ausgewertet. Außerdem wurden die Impulsverteilungen gemessen, die der Entfernung von 1f7/2 - und 2p3/2 - Neutronen entsprechen. Die Wirkungsquerschnitte, die im Rahmen der DWIA interpretiert werden, stimmen mit einem Schalenabschluss bei der Neutronenzahl N=32 überein, der bei Ca-Isotopen genauso stark ist wie bei N=28 und N=34. Die Analyse der Impulsverteilungen führt zu einer Differenz der quadratisch gemittelten Ladungsradien der 1f7/2 - und 2p3/2 - Neutronenorbitale von 0,61(23) fm und stimmt mit der Vorhersage von 0,7 fm des modifizierten Schalenmodells überein. Das deutet darauf, dass der große quadratisch gemittelten Radius des 2p3/2 - Neutronenorbitals in neutronenreichen Ca-Isotopen für den unerwarteten linearen Anstieg des Ladungsradius, in Abhängigkeit von der Neutronenzahl, verantwortlich ist. Die Methode zur Bestimmung der quadratisch gemittelten Radien der Einteilchen-Neutronenorbitale über Impulsverteilungsmessungen in (p,pn) Reaktionen wurde weiterhin auf die benachbarten Isotope 53 Ca und 54 Ca angewendet. Die Größe der 1f7/2 -, 2p3/2 -, 2p1/2 - und 1f5/2 - Neutronenorbitale wurde ermittelt und stimmte mit den Ergebnissen von 52Ca überein. Als Ergebnis dieser Studie zeigen die p-Orbitale tatsächlich eine räumlich größere Ausdehnung im Vergleich zu den f-Neutronenorbitalen (>0,5 fm Unterschied). Der zweite Teil dieser Arbeit stellt die Forschung und Entwicklung eines neuen Teilchen-Trackers, STRASSE, in Kombination mit einem langen Flüssigwasserstoff-Target vor. Dieser zielt auf die Untersuchung protoneninduzierter quasifreier Streureaktionen wie (p,2p) und (p,3p) ab. Trotz der verbesserten Zählrate wurde das MINOS-System nur zur Verfolgung des Reaktionsscheitelpunkts innerhalb des Flüssigwasserstoff-Targets verwendet. Ein ähnlicher Aufbau, der zusätzlich zur γ-Strahlenspektroskopie auch Teilchenspektroskopie ermöglicht, könnte fehlende Masseninformationen liefern. STRASSE ist für die Verwendung zusammen mit CATANA konzipiert, einer Anordnung von CsI(Na)-Kristallen zur Messung der Gesamtenergie der Protonen aus den (p,2p)- und (p,3p)- Reaktionen sowie um eine γ-Strahlenspektroskopie durchzuführen. Dieser neue Versuchsaufbau wird in der Lage sein, den Reaktionsscheitelpunkt mit einer Auflösung im sub-mm-Bereich zu rekonstruieren und fehlende Massenmessungen mit einer Auflösung von unter 2 MeV durchzuführen. In dieser Arbeit wird die Herstellung und Erprobung der Flüssigwasserstoffzelle für STRASSE sowie Offline- und In-Beam-Tests der für STRASSE vorgesehenen Ausleseelektronik unter Verwendung des Prototyps des Silizium-Trackers PFAD vorgestellt.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-244714
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik > Experimentelle Kernstrukturphysik, Radioaktive Ionenstrahlen
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik > Experimentelle Kernstrukturphysik mit exotischen Ionenstrahlen
Hinterlegungsdatum: 07 Sep 2023 11:17
Letzte Änderung: 08 Sep 2023 08:08
PPN:
Referenten: Obertelli, Prof. Dr. Alexandre ; Aumann, Prof. Dr. Thomas
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 19 Juli 2023
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