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Electromagnetic Properties of Light Neutron-Rich Nuclei - Lifetime Measurements of 16C and 23Ne

Mathy, Michael Bernhard (2021):
Electromagnetic Properties of Light Neutron-Rich Nuclei - Lifetime Measurements of 16C and 23Ne. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017490,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Electromagnetic Properties of Light Neutron-Rich Nuclei - Lifetime Measurements of 16C and 23Ne
Language: English
Abstract:

The lifetimes of higher-lying excited states were measured for 16C and 23Ne using a target and degrader setup made of beryllium and gold to apply the Doppler-shift attenuation method. The experiment was performed at the Argonne National Laboratory exploiting the reaction 9Be(9Be,2p)16C* as well as 9Be(16O,2p)23Ne*, which was available due to oxidation of the target. The emitted gamma rays were measured with Gammasphere while the charged particles were detected with Microball. By comparing the measured gamma-ray spectra for different detection angles and 2p events with Geant4 simulations, lifetimes can be obtained. An elaborated explanation of the used analysis method and potential uncertainties is given in this work. The simulations were carried out for two different sets of stopping powers to check their influence on the results.

For 23Ne the lifetimes of two higher-lying states could be measured for the first time. The lifetime of the (5/2+,7/2+) state at 2517 keV was obtained to 641(79)fs +16fs-6fs(syst,target), while the lifetime of the (5/2+, 7/2+) state at 1702 keV was obtained to 168(55)fs +8fs-1fs(syst,target) +72fs-80fs(syst,feeding). To consider the feeding for the lower state it was assumed that the angular distributions are the same for both observed transitions. Theoretical USDB calculations were able to reproduce the level energies well, while they significantly underestimate the experimental lifetimes.

For 16C the lifetime of the 4_1+ state could be constrained between 1.9ps +0.0ps-0.1ps(syst,target) and 4ps. This results in 2.74e^2fm^4 ≤ B(E2;4_1+→2_1+ ) ≤ 5.78e^2fm^4 +0.32e^2fm^4 -0.00e^2fm^4(syst,target) as a transition strength limit for the 4_1+ state. Theoretical predictions from no-core shell model calculations with NN+NNN interactions and p-sd shell model calculations for several effective two body interactions fulfill this constraint. The most likely lifetime range for the 2_2+ state was obtained to be 244 fs to 376 fs. Together with branching ratio limits for this state, which are known from previous measurements, the transition strengths for the 2_2+ state could be constrained. No-core shell model, recent in-medium no-core shell model, and p-sd shell model calculations are compared to these results.

In the second part of this work a conceptual design of a 14C electron scattering experiment at the QCLAM Spectrometer at the S-DALINAC is presented.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In dieser Arbeit wurden die Lebensdauern von höherliegenden angeregten Zuständen in 16C and 23Ne gemessen. Dazu wurde mithilfe eines Beryllium-Targets sowie Gold-Degraders die Doppler-Shift Attenuation Method verwendet. Das Experiment wurde am Argonne National Laboratory durchgeführt und die Reaktionen 9Be(9Be,2p)16C* und 9Be(16O,2p)23Ne* verwendet. Letztere Reaktion wurde durch eine Oxidation des Targets ermöglicht. Die emittierten Gammastrahlen wurden mit dem Gammasphere-Detektor gemessen, während geladene Teilchen mit dem Microball-Detektor erfasst wurden. Durch einen Vergleich der gemessenen Gammaspektren für verschiedene Winkel und 2p Ereignissen mit Geant4 Simulationen, kann die Lebensdauer der Zustände bestimmt werden. Eine ausführliche Diskussion über die verwendeten Analysemethoden und die sich daraus ergebenden möglichen Unsicherheiten wird in der vorliegenden Arbeit dargelegt. Die Simulationen wurden für zwei verschneidene Datensätze für Teilchen-Bremsvermögen durchgeführt, um deren Einfluss auf die Ergebnisse zu testen.

Für 23Ne konnten die Lebensdauern von zwei höherliegenden Zuständen zum ersten Mal gemessen werden. Die Messung ergab Lebensdauern von 641(79)fs +16fs-6fs (syst,target) für den (5/2+,7/2+) Zustand bei 2517 keV und 168(55)fs +8fs-1fs (syst,target) +72fs-80fs (syst,feeding) für den (5/2+, 7/2+) Zustand bei 1702 keV. Um das Feeding in dem niedrigeren Zustand zu berücksichtigen, wurde angenommen, dass die Winkelverteilung für die beiden beobachteten Übergänge gleich ist. Theoretische USDB Berechnungen waren in der Lage die Zustandsenergien gut wiederzugeben, während sie die experimentellen Lebensdauern unterschätzten.

Für 16C konnte die Lebensdauer des 4_1+ Zustandes zwischen 1.9ps +0.0ps-0.1ps(syst,target) und 4ps limitiert werden. Dies liefert 2.74e^2fm^4 ≤ B(E2;4_1+→2_1+ ) ≤ 5.78e^2fm^4 +0.32e^2fm^4 -0.00e^2fm^4(syst,target) für die dazugehörige Übergangsstärkenlimitierung. Theoretische Vorhersagen von No-Core Shell Model Berechnungen mit NN+NNN Wechselwirkungen und p-sd Schalenmodell Rechnungen für effektive Zwei-Körper Wechselwirkungen erfüllen diese Limitierung. Der wahrscheinlichste Bereich für die Lebensdauer des 2_2+Zustandes wurde zu 244 fs bis 376 fs bestimmt. Unter der Verwendung der Verzweigungsverhältnisse, welche aus früheren Messungen bekannt sind, können die beteiligten Übergangsstärken des 2_2+ Zustandes beschränkt werden. Die Berechnungen für No-Core Shell Modelle, ein kürzlich entwickeltes In-Medium No-Core Shell Model und ein p-sd Schalenmodell werden mit diesen Ergebnissen verglichen.

Im zweiten Teil der Arbeit wird ein konzeptionelles Design für ein 14C Elektronenstreuungsexperiment an dem S-DALINAC unter der Verwendung des QCLAM Spektrometers vorgestellt.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 295 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
TU-Projects: DFG|SFB1245|A03 Petri
Date Deposited: 27 Apr 2021 10:35
Last Modified: 27 Apr 2021 10:35
DOI: 10.26083/tuprints-00017490
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-174909
Referees: Petri, PhD Marina and Roth, Prof. Robert
Refereed: 14 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17490
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