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Towards Dipole Strength Measurements Using Total Photoabsorption: NEPTUN Upgrade and Commissioning

Beek, Patrick van (2021):
Towards Dipole Strength Measurements Using Total Photoabsorption: NEPTUN Upgrade and Commissioning. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019761,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Towards Dipole Strength Measurements Using Total Photoabsorption: NEPTUN Upgrade and Commissioning
Language: English
Abstract:

One of the central questions in astrophysics is the origin of the elements and the connection with cosmological events such as supernovae and neutron star mergers. The equation of state for nuclear matter bridges the gap between cosmological processes on the one hand and atomic nuclei in the microcosm on the other. Measuring the dipole strength of atomic nuclei can contribute to a better understanding of the equation of state, which is the basic motivation of the present dissertation.

The photon tagger NEPTUN was fundamentally upgraded within the scope of this work, with the aim of establishing dipole response measurements via total photoabsorption at this setup. The new components are presented and their design is explained. The focus lies on the new focal plane detector LARISSA and the also new photoabsorption setup.

Furthermore, various Monte-Carlo simulations of the setup are presented. These were used, inter alia, to model the generation of bremsstrahlung photons and to optimize the design of the photoabsorption setup. Detailed estimates concerning a proposed photoabsorption experiment on 48-Ca are also performed based on these simulations. It is demonstrated that meaningful results can be obtained even though it is expected that there is a very limited amount of target material.

First experimental data was recorded in a measurement campaign in December 2018. Here, first photoabsorption measurements were performed on aluminum and water. Later on, measurements with a reduced electron beam energy followed in June 2020. The analysis of the acquired data is presented in detail. Here, the properties of the detectors used are examined, focusing in particular on the new detector LARISSA.

Subsequently, the total photonuclear cross sections of aluminum and oxygen are extracted from the recorded data set and the corresponding systematic uncertainties are discussed. A comparison of the results with previous measurements shows good agreement.

It is planned for the near future to apply the newly established method to further elements. Of particular interest are the doubly magic nucleus 48-Ca and the single magic isotopes of the element tin. The already well measured nucleus 208-Pb can serve as a further check.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Eine der zentralen Fragen der Astrophysik ist die nach der Entstehung der Elemente sowie der Zusammenhang mit kosmologischen Ereignissen wie Supernovae und Neutronensternkollisionen. Die Zustandsgleichung für Kernmaterie schlägt die Brücke zwischen den kosmologischen Prozessen auf der einen Seite und den Atomkernen im Mikrokosmos auf der anderen Seite. Das Messen der Dipolstärke von Atomkernen kann zum besseren Verständnis dieser Zustandsgleichung beitragen, was die grundsätzliche Motivation der vorliegenden Dissertation darstellt.

Der Photonentagger NEPTUN wurde im Rahmen dieser Arbeit grundlegend erneuert, mit dem Ziel, Dipolstärkenmessungen über vollständige Photoabsorption an diesem Aufbau zu etablieren. Die neuen Komponenten werden vorgestellt und deren Auslegung erklärt. Der Fokus liegt hierbei auf dem neuen Fokalebenendetektor LARISSA und dem ebenfalls neuen Photoabsorptionsaufbau.

Weiterhin werden verschiedene Monte-Carlo-Simulation zum Aufbau vorgestellt. Diese wurden unter anderem dazu benutzt, die Erzeugung der Bremsstrahlungsphotonen zu modellieren und die Auslegung des Photoabsorptionsaufbaus zu optimieren. Auf Grundlage dieser Simulationen werden außerdem detaillierte Abschätzungen zu einem geplanten Photoabsorptionsexperiment an 48-Ca durchgeführt. Es wird demonstriert, dass selbst mit der voraussichtlich äußert limitierten Menge an Probenmaterial aussagekräftige Ergebnisse gewonnen werden können.

Erste experimentelle Daten wurden in einer Messkampagne im Dezember 2018 aufgenommen. Hierbei wurden erste Photoabsorptionsmessungen an Aluminium und Wasser durchgeführt. Im Juni 2020 folgten Messung mit reduzierter Elektronenstrahlenergie. Die Analyse der erfassten Daten wird ausführlich präsentiert. Hierbei werden zunächst die Eigenschaften der benutzten Detektoren im Detail untersucht, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf dem neuen Detektor LARISSA liegt.

Anschließend werden die photonuklearen Wirkungsquerschnitte von Aluminium und Sauerstoff aus den vorliegenden Daten extrahiert und die einfließenden systematischen Unsicherheiten diskutiert. Ein Vergleich der Ergebnisse mit früheren Messungen zeigt gute Übereinstimmung.

Für die nähere Zukunft ist es geplant, die neu etablierte Methode auf weitere Elemente anzuwenden. Von besonderem Interesse sind hierbei der doppelt magische Kern 48-Ca sowie die einfach magischen Isotope des Elements Zinn. Der bereits sehr gut vermessene Kern 208-Pb kann als weiterer Test dienen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 129 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Experimentelle Kernstruktur und S-DALINAC
TU-Projects: DFG|SFB1245|B04 Scheit SFB1245
Date Deposited: 26 Oct 2021 07:19
Last Modified: 26 Oct 2021 07:19
DOI: 10.26083/tuprints-00019761
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-197610
Referees: Scheit, Priv.-Doz. Heiko ; Aumann, Prof. Thomas
Refereed: 18 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19761
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