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This thesis will present a novel experimental method for investigating proton-induced single-nucleon knockout reactions at relativistic energies. For the first time this type of reactions is studied in complete and inverse kinematics, using a 12C beam at an energy of 400 MeV/u impinged on a plastic CH2 target, where the reactions on hydrogen take place. It is shown that the reaction mechanism is dominated by quasi-free proton-nucleon scattering process of a type (p,2p) or (p,pn) within the nucleus, that is reflected in a strong spatial correlation
between the two outgoing nucleons. The reactions are foreseen as an ideal way to explore single-particle and cluster structure of nuclei and will become an important part of the physics program at the future R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams) experiment at FAIR, which will be based on kinematically complete measurements of the reactions with neutron-proton asymmetric nuclei. The benchmark experiment, which is discussed in this work, was performed at a prototype LAND-R3B setup at GSI, Germany. The total cross section of 30.5±2.3 mb has been measured for the 12C(p,2p)11B reaction in inverse kinematics, and the cross section of 18.1±2 mb has been extracted for the removal of a proton from the p-shell in 12C. Employing the in-flight γ-ray spectroscopy, the following exclusive (p,2p) cross sections are determined for individual low-lying p-hole states in the residual 11 B nucleus: 12.7±1.5 mb for the ground state, 3.1±0.4 mb for the first excited state 2.125 MeV (1/2− ) and 2.2±0.3 mb for the excited state 5.02 MeV (3/2− ). The excitation energy of deep-hole particle-unstable states is reconstructed via invariant-mass measurements of mainly two-body decays of the 11B residue. A broad peak at around 15 MeV in the excitation spectrum of
11B is observed and interpreted as a proton knockout from strongly bound s-shell in 12C. The internal momentum distribution of protons, which are removed from the p-shell in 12C, is measured redundantly using two methods: the detection of residual 11B fragments and the angular and energy measurements of scattered proton pairs. The momentum width of 105 MeV/c is extracted using both methods. A similar value of 106 MeV/c is obtained for the internal momentum width of p-state neutrons probed through the 12C(p,pn)11C reaction. The momentum width of 132 MeV/c is determined for deeply bound s-shell protons via the measurements of scattered protons. Detailed simulations of the experimental response have been developed as a part of the analysis. |
| Alternative Abstract: |
| Alternative Abstract | Language |
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Die vorliegende Arbeit präsentiert eine neue experimentelle Methode zur Untersuchung von Proton-induzierten Ein-Nukleon-Knockout-Reaktionen bei relativistischen Energien. Diese Art von Reaktionen wurde zum ersten Mal in vollständiger und inverser Kinematik untersucht. Ein 12C-Strahl mit einer Energie von 400 MeV/u wurde auf ein CH2 Target gelenkt, in welchem die 12C Ionen mit dem Wasserstoff reagieren. Es wird gezeigt, dass der Reaktionsmechanismus durch quasi-freie Proton-Nukleon-Streuung des Typs (p,2p) oder (p,pn) innerhalb des Kerns dominiert wird. Dieses spiegelt sich in einer starken räumlichen Korrelation zwischen den beiden Nukleonen im Ausgangskanal wieder. Diese Reaktionen werden als idealer Weg angesehen um Ein-Teilchen- und Cluster-Strukturen von Kernen zu untersuchen. Sie werden ein wichtiger Teil des Physik-Programms des R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams) Experimentes an FAIR sein, welches kinematisch vollständige Messungen mit Neutron-Proton-asymmetrischen Kernen ermöglichen wird. Das in dieser Arbeit vorgetellte Benchmark-Experiment wurde an einem Prototyp LAND-R3B-Setup an der GSI (Deutschland) durchgeführt. Ein Gesamt-Wirkungsquerschnitt von 30.5±2.3 mb wurde für die 12C(p,2p)11B Reaktion in inverser Kinematik bestimmt. Außerdem wurde ein Wirkungsquerschnitt von 18.1±2 mb für das Entfernen eines Protons aus der p-Schale in 12C gemessen. Unter zuhilfenahme der `In-Flight-γ-Spektroscopy' wurden folgende exklusive (p,2p)-Wirkungsquerschnitte für einzelne niedrig liegende p-Loch-Zustände ermittelt: 12.7±1.5 mb für den Grundzustand von 11B, 3.1±0.4 mb für den ersten angeregten Zustand 2.125 MeV (1/2-) und 2.2±0.3 mb für den angeregten Zustand 5.02 MeV (3/2-). Die Anregungsenergie von tiefen Loch-Zuständen (Teilchen-instabil) wurde über die gemessene invariante Masse rekonstruiert. Hierbei wurden hauptsächlich Zwei-Körper-Zerfälle der 11B-Fragmente betrachtet. Ein breiter Peak bei etwa 15 MeV wurde im Anregungsspektrum von 11B bestimmt, dieser wird als Ein-Protonen-Knockout aus dem stark gebundenen l=0 Orbital in 12C interpretiert.
Die internen Impulsverteilungen von Protonen welche aus der p-Schale in 12C entfernt werden, werden durch zwei Verfahren redundant gemessen: Erstens durch Erfassen der übrigbleibenden Fragmente (11B) und zweitens durch Messung der Winkel und der Energie der gestreuten Protonen-Paare.
Mit beiden Methoden wurde eine Impulsbreite von 105 MeV/c für Protonen im p-Zustand extrahiert. Ein sehr ähnlicher Wert von 106 MeV/c wurde für die Impulsbreite von Neutronen im p-Zustand via (p,pn)-Reaktionen erhalten. Über die Messung der gestreuten Protonen wurde eine Impulsbreite von 132 MeV/c für tief gebundene s-Schalen-Protonen extrahiert.
Detaillierte Simulationen der experimentellen Antwortfunktion wurden als ein Teil der Analyse entwickelt. | German |
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