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Elektrische Dipol-Polarisierbarkeit und Spin-M1-Stärke aus 48Ca(p,p')-Daten unter 0°

Birkhan, Jonny Hubertus :
Elektrische Dipol-Polarisierbarkeit und Spin-M1-Stärke aus 48Ca(p,p')-Daten unter 0°.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Elektrische Dipol-Polarisierbarkeit und Spin-M1-Stärke aus 48Ca(p,p')-Daten unter 0°
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wurden 48Ca(p,p')-Daten analysiert, die unter einem Streuwinkel von 0° bei einer Einschussenergie von 295 MeV am Research Center of Nuclear Physics in Osaka, Japan, gemessen worden waren. Die Analysen zielten darauf ab, die statische elektrische Dipol-Polarisierbarkeit für den Bereich der isovektoriellen Dipol-Riesenresonanz (IVGDR) und die totale elektromagnetische M1-Stärke für den prominenten Spin-M1-Übergang bei einer Anregungsenergie von 10,22 MeV zu bestimmen.

Die Polarisierbarkeit wurde aus den Protonenstreudaten für den Anregungsenergiebereich von (11-26) MeV extrahiert. Die benötigten E1-Wirkungsquerschnitte gingen aus einer Multipolentfaltung der experimentellen Wirkungsquerschnitte hervor. Mit Hilfe der Methode virtueller Photonen konnten diese in einen analogen Photoabsorptionsquerschnitt umgerechnet werden. Aus der Verteilung der Photoabsorptionsquerschnitte wurde die Polarisierbarkeit berechnet. Die Analyse der (p,p')-Daten hat deutlich gemacht, dass sowohl die Festlegung eines geeigneten maximalen Streuwinkels in der Methode virtueller Photonen und die Methode der Multipolentfaltung im Bereich der IVGDR zu Problemen führen kann. In der Analyse stellte es sich als schwierig heraus, einerseits E1- und M1-Beiträge zum experimentellen Wirkungsquerschnitt auf der niederenergetischen Flanke der Resonanz eindeutig zu trennen und andererseits ein geeignetes Untergrundmodell auf der höherenergetischen Flanke festzulegen. Je nachdem mit welchen Modellwinkelverteilungen der Wirkungsquerschnitte die Multipolentfaltungen durchgeführt wurden, lag das Ergebnis bei (1,36 +/- 0,14) fm³ oder (1,50 +/- 0,09) fm³. Mit einem um Protonenemissionen erweiterten 48Ca(e,e'n)-Datensatz und mit 40Ca(gamma,abs)-Daten aus konnte ein Wertebereich für die Polarisierbarkeit des Kerns 48Ca im gleichen Anregungsenergiebereich bestimmt werden. Die Polarisierbarkeit liegt demnach zwischen (1,50 +/- 0,02) fm³ und (1,69 +/- 0,03) fm³. Darüber hinaus gibt es sowohl durch die Messung am Kern 40Ca als auch am Kern 48Ca mit polarisierten Protonen Hinweise, dass weitere relevante E1-Stärke bei höheren Anregungsenergien bis zu etwa 60 MeV zu finden ist. Mit den Photoabsorptionsquerschnitten des Kerns 40Ca wurde eine Polarisierbarkeit für den Kern 48Ca im Bereich von (10-60) MeV geschätzt. Sie beträgt (2,09 +/- 0,02) fm³ und unterscheidet sich signifikant von einer theoretischen Vorhersage aus der Energiedichte-Funktionaltheorie mit (2,31 +/- 0,09) fm³. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit können zusammen mit dem entsprechenden Ergebnis für den Kern 208Pb verwendet werden, um die Wertebereiche der Parameter der Kernmodelle weiter einzuschränken. Dazu müssen bestehende Modellrechnungen für den ausgewerteten Anregungsenergiebereich wiederholt werden. Dann können die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Bestimmung der Dicke der Neutronenhaut im Kern 48Ca leisten und zur Eingrenzung der Symmetrieenergie-Parameterwerte in der Zustandsgleichung der Kernmaterie.

Im Kern 48Ca konzentriert sich nahezu die gesamte experimentell bestimmbare Spin-M1-Stärke in dem \einsplus-Zustand bei 10,22 MeV. Dabei ist der Beitrag zur Spin-M1-Stärke durch das isoskalare Matrixelement im Vergleich zu dem anderen Extremfall, dem Kern 208Pb, maximal. Daher musste in der Analyse ein isoskalarer Beitrag zur Anregung des Zustandes berücksichtigt werden. Die Auswertung der Daten der vorliegenden Arbeit stützte sich auf die für Gamow-Teller-Übergänge etablierte Methode, mit der die hadronische isovektorielle Anregungsstärke aus dem experimentellen Wirkungsquerschnitt bei 0° bestimmt wird. Diese Methode nutzt die Proportionalität zwischen dem Wirkungsquerschnitt und der Anregungsstärke, die für Einschussenergien bei etwa 300 MeV eine geeignete Näherung darstellt. Der Proportionalitätsfaktor ist der sogenannte Einheitsquerschnitt. Diese Methode wurde auf die Anregung von Spin-M1-Übergängen mit Protonen unter den Annahmen übertragen, dass zwischen benachbarten Isobaren Isospinsymmetrie besteht und dass die Einheitsquerschnitte bei der Anregung analoger Zustände gleich sind. Damit war es für den besagten Zustand des Kerns 48Ca möglich, die totale elektromagnetische Spin-M1-Stärke aus dem experimentellen Wirkungsquerschnitt bei 0° zu bestimmen. Dies setzte aber voraus, dass der experimentelle Wirkungsquerschnitt auf seinen isovektoriellen Anteil reduziert werden konnte. Dies war in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe einer Entfaltung der experimentellen Wirkungsquerschnitte mit isoskalaren und isovektoriellen Modellwinkelverteilungen aus DWBA-Rechnungen möglich. Zusätzlich boten 48Ca(p,n)-Daten die Möglichkeit, die totale Spin-M1-Stärke des Kerns 48Ca auch aus dem Übergang in den analogen Zustand des Kerns 48Sc zu berechnen. Damit konnte anhand von unabhängigen Daten und einer bereits etablierten Methode überprüft werden, ob die gleiche Methode auch bei (p,p')-Daten sinnvolle Ergebnisse liefert. In der vorliegenden Arbeit wurden zusätzlich ältere (p,p')-Daten verwendet, so dass Daten bei 200 MeV und 295 MeV zur Verfügung standen. In allen Fällen waren die Ergebnisse aus den Daten des Kerns 48Ca nicht nur untereinander sondern auch mit dem Elektronenstreuergebnis von B(M1) = (3,9 +/- 0,3) µ²_N verträglich. Da diese Methode auch im Fall des Kerns 208Pb(p,p') Ergebnisse lieferte, die in keinem direkten Widerspruch zu den Resultaten aus (gamma,gamma')- und (n,n'gamma)-Messungen standen, wurde das Verfahren als geeignet eingestuft, um die totale Spin-M1-Stärke unter den genannten Bedingungen aus (p,p')-Daten zu extrahieren. Für den diskutierten Zustand des Kerns 48Ca wird ein gewichteter Mittelwert von B(M1) = (3,82 +/- 0,26) µ²_N als Ergebnis angegeben. Damit kann das Ergebnis aus einem kürzlich durchgeführten (gamma,n)-Experiment mit B(M1) = (6,8 +/- 0,5) µ²_N nicht bestätigt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this thesis, proton scattering data on the nucleus 48Ca at very forward angles had been analysed. The data stem from a measurement campaign which was launched at the Research Centre of Nuclear Physics at Osaka, Japan, in the past. One of the two objectives of this analysis was to extract a value for the static electric dipole polarisability from the isovector giant dipole resonance (IVGDR). The second objective was to extract the total electromagnetic M1 strength B(M1) of the spin-flip transition which excites the prominent state at an excitation energy of 10.22 MeV. The polarisability was calculated from the distribution of photo-absorption cross sections within an energy range from (11-26) MeV. The photo-absorption cross sections had been deduced from the distribution of E1 cross sections by the method of virtual photons. For this purpose the experimental cross sections had been deconvoluted by a multipole deconvolution into an E1 part and a background part. Then, the best estimate of the polarisability is given by (1.36 +/- 0.14) fm³. If a E3 model was included into the multipole decomposition of the (p,p') data the result increased up to 1.50 +/- 0.09) fm³. The deviation between these two results is mainly due to the fact that the multipole decomposition is very sensitive on the background function. Assuming that the the IVGDR of the nuclei 48Ca and 40Ca have approximately the same structure, estimates for the polarisability of the nucleus 48Ca could be drawn from 40Ca(gamma,abs) data. Additionally, data from a 48Ca(e,e'n) measurement were used to estimate the polarisability of the nucleus 48Ca. Its polarisability seems to fall within the range of (1.50 +/- 0.09) fm³ and (1.69 +/- 0.03) fm³. Beside this, it could be shown by the 40Ca data that a significant contribution to the polarisability has to be expected only up to an excitation energy of 60 MeV. Taking into account the excitation energy range from (10-60) MeV the polarisability of the nucleus 48Ca was estimated to be (2.09 +/- 0.02) fm³. This result deviates significantly from a theoretical prediction of (2.31 +/- 0.09) fm³ based on the energy density functional theory. The result of this work could further constrain the range of the parameters of the nuclear models and might give new insights on the neutron skin thickness of 48Ca as far as a theoretical prediction for the correlation between the polarisability and neutron skin thickness is available especially for the energy region investigated in this work. In the nucleus 48Ca, almost the full experimentally accessible spin-M1 strength is exhausted by a single spin-flip transition. The corresponding state is the prominent spin-M1-state at 10.22 MeV. The configuration of the nucleus 48Ca leads to nearly pure spin-flip transitions of the neutrons. In this case the isoscalar transition matrix element is as large as the isovector one. This means that the nucleus 48Ca is a reference case whereas the nucleus 208Pb is another one because its isoscalar and isovector M1 strength is well separated. The extraction of the total electromagnetic M1 strength was based on a method that had been successfully applied to Gamow-Teller transitions in other analyses in the framework of a distorted wave impulse approximation. This method allows to calculate the strength from the measured isovector cross section at 0° mainly by a single conversion factor, the so-called "unit cross section". The method was used for the analysis of this work assuming that isospin symmetry is given for isobars and that the unit cross section is the same for isovector spin-M1 excitations as well as for the excitations of analogue states. The problem was to extract the isovector part of the experimental cross section. This could be managed by a deconvolution of the cross sections into an isoscalar and isovector part. Beside this, (p,n) data on the nucleus 48Ca were available. The data had been used to calculate the total electromagnetic M1 strength independently by the well established method for Gamow-Teller transitions. Additionally, one more (p,p') data set on the nucleus 48Ca was analysed at a projectile energy of 200 MeV. No contradiction could be found between the (p,p') and (p,n) results. The influence of different isoscalar quenching factors on the results was investigated. The variation of the results was not that large to become inconsistent with the (e,e') value of B(M1) = (3.9 +/- 0.3) µ²_N. Furthermore, the method of this work had been applied to (p,p') data on the nucleus 208Pb. The results could be checked against data from scattering experiments with polarised gamma radiation and neutrons. The comparison did not give evidence to reject the method. The best estimate of the M1-strength in the case of the nucleus 48Ca is B(M1) = (3.82 +/- 0.26) µ²_N. Therefore, the results of this work contradict the result of a recent (gamma,n) measurement which a strength of B(M1) = (6.8 +/- 0.5) µ²_N was extracted from.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: 48Ca, Spin-M1-Stärke, Dipolpolarisierbarkeit, Protonenstreuung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
48Ca, spin-M1 strength, dipole, polarisability, proton, scatteringEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 07 Jan 2016 13:28
Last Modified: 07 Jan 2016 13:28
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52167
Referees: Pietralla, Prof. Dr. Norbert and Neumann-Cosel, Prof. Dr. Peter von
Refereed: 14 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5216
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