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Nuclear matter distribution of 56Ni measured with EXL

von Schmid, Mirko :
Nuclear matter distribution of 56Ni measured with EXL.
Technische Universitaet, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nuclear matter distribution of 56Ni measured with EXL
Language: English
Abstract:

In the present work, the nuclear matter distribution and the RMS matter radius of 56Ni were successfully measured for the first time by exploiting elastic proton scattering. Being a doubly magic nucleus with an equal number of protons and neutrons, 56Ni is of particular physical interest. Since it is also a radioactive nucleus, the experiment has to be performed in inverse kinematics. Hence, the experiment was conducted at the ESR (Experimental Storage Ring) at the GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung as part of the first experimental campaign of EXL (EXotic nuclei studied in Light-ion induced reactions). The beam of 56Ni, which was produced by in-flight fragmentation of a 58Ni beam and selected by the FRagment Separator (FRS), was injected into the ESR and interacted with the internal hydrogen target. The demanding vacuum conditions of a storage ring made it necessary to develop a novel detector system. This had to be ultra-high vacuum (UHV) compatible and, at the same time, feature an energy threshold as low as possible to enable the measurement of particles scattered at low momentum transfer. To equally fulfil both conditions, a windowless detector system was developed in which the UHV is separated from an auxiliary vacuum by a silicon strip detector. In the auxiliary vacuum, additional detectors as well as other non-UHV compatible components may be placed. This way, a telescope based on silicon detectors was set up which makes the measurement of protons in an energy range starting at few hundreds of keV up to about 50 MeV possible. In the course of the present work the employed detectors were tested and further developed by extensive laboratory tests as well as in-beam experiments. The differential cross section for elastic proton scattering was deduced from the measured angular distribution of the detected recoil protons. For this, comprehensive Monte-Carlo simulations of the setup have been performed. Then, the nuclear matter distribution was extracted from the cross section with the help of the Glauber multiple-scattering theory. For this purpose, the density distribution was parametrised by a phenomenological distribution for which a symmetrised Fermi distribution and the model-independent Sum-Of-Gaussians (SOG) method was used. The latter allows to determine theory-dependent contributions to the systematic error. Eventually, the RMS matter radius of 56Ni was calculated from the matter distributions to be (3.76+-0.08) fm which is in agreement with predictions by HFB and HF+BCS calculations. The correctness of the whole method, i.e. the measurement in inverse kinematics and the applied analysis procedure, was proven in comparison to an already known nuclear matter distribution of 58Ni of which the results are in a good agreement with the literature values.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden Arbeit ist es erstmalig gelungen die Kerndichteverteilung und den Materieradius des exotischen Kerns 56Ni mittels elastischer Protonenstreuung experimentell zu bestimmen. Aufgrund seiner Eigenschaft als doppelt magischer Kern, mit darüber hinaus gleicher Anzahl an Protonen und Neutronen, ist der untersuchte Kern von besonderem physikalischen Interesse. Da es sich dabei allerdings um einen radioaktiven Kern handelt, muss eine solche Messung in inverser Kinematik durchgeführt werden. Das Experiment wurde daher am ESR (Experimental Storage Ring) des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung im Rahmen der ersten experimentellen Kampagne des EXL-Projekts (EXotic nuclei studied in Light-ion induced reactions) durchgeführt. Der 56Ni Ionenstrahl wurde durch Fragmentation eines 58Ni Strahls erzeugt, im FRS (FRagment Separator) selektiert und schließlich in den ESR injiziert, wo er mit dem internen Wasserstofftarget des ESR wechselwirkte. Die anspruchsvollen Vakuumbedingungen eines Speicherrings machten es dabei notwendig ein neuartiges Detektorsystem zu entwickeln. Dieses musste zum einen den Bedingungen des im Inneren des Speicherring herrschenden Ultrahochvakuums (UHV) genügen und zum anderen gleichzeitig über eine besonders niedrige Energieschwelle verfügen, um die Messung von Teilchen zu ermöglichen, die bei niedrigen Impulsüberträgen gestreut werden. Um beiden Bedingungen gleichermaßen gerecht zu werden, wurde ein fensterloses Detektorsystem entwickelt, bei dem das UHV mittels eines Siliziumstreifendetektors von einem Hilfsvakuum getrennt wird, das weitere, nicht UHV-kompatible, Detektoren und Komponenten aufnimmt. Auf diese Weise konnte ein aus Siliziumdetektoren aufgebautes Detektorteleskop zur Messung der rückgestreuten Protonen in einem Energiebereich von wenigen hundert keV bis hin zu ungefähr 50 MeV realisiert werden. Die dazu verwendenten Detektoren wurden im Rahmen dieser Arbeit in zahlreichen Labortests als auch in Strahlexperimenten getestet und weiter entwickelt. Aus der gemessenen Winkelverteilung der elastisch gestreuten Protonen wurde zunächst der differentielle Wirkungsquerschnitt bestimmt. Hierfür wurden umfangreiche Monte-Carlo Simulationen des experimentellen Aufbaus durchgeführt. Unter Zuhilfenahme der Glauber-Vielteilchenstreutheorie wurde die Dichteverteilung der Kernmaterie dann aus diesen Wirkungsquerschnitten bestimmt. Die Dichteverteilung muss dafür über eine phänomenologische Parametrisierung beschrieben werden. Im vorliegenden Fall wurde dafür sowohl die symmetrisierte Fermiverteilung als auch der modellunabhängige Sum-Of-Gaussians (SOG) Ansatz gewählt. Letzterer ermöglicht insbesondere die Bestimmung theorieabhängiger Beiträge zur systematischen Unsicherheit. Aus der Dichteverteilung konnte schließlich für 56Ni ein mittlerer Materieradius von (3.76+-0.08) fm bestimmt werden, was mit theoretischen Vorhersagen aus HFB und HF+BCS Rechnungen übereinstimmt. In einer ebenfalls durchgeführten Messung der schon bekannten Kerndichteverteilung von 58Ni konnte diese erfolgreich bestätigt werden, was die Korrektheit der angewandten Methodik (Experiment und Analyse) bestätigt.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: 56Ni, 58Ni, elastic proton scattering, inverse kinematics, nuclear matter distribution, nuclear matter radius, EXL, exotic nuclei studied in light-ion induced reactions at storage rings, GSI, FAIR, NUSTAR, ESR, nuclear reactions
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 09 Nov 2015 14:02
Last Modified: 12 Nov 2015 09:10
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-50282
Referees: Kröll, Prof. Dr. Thorsten and Aumann, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 3 August 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5028
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