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Nuclear Reaction Studies using Stored Ion Beams at ESR with EXL

Zamora Cardona, Juan Carlos :
Nuclear Reaction Studies using Stored Ion Beams at ESR with EXL.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nuclear Reaction Studies using Stored Ion Beams at ESR with EXL
Language: English
Abstract:

In this work, as part of the EXL project nuclear reactions are investigated in inverse kinematics experiments with stored ion-beams. These experiments were carried out at the heavy ion storage ring ESR at GSI with stored 58Ni (at 100 and 150 MeV/u) and 20Ne (at 50 MeV/u) beams. The 58Ni beam was impinged on an internal gas-jet target of helium, while for the 20Ne experiment the internal gas-jet target utilized was hydrogen. The recoil particles produced in different reaction channels were measured with a dedicated detector setup compatible with the Ultra High Vacuum (UHV) in the storage ring. This detector setup included double-sided silicon-strip detectors operating as active barriers between the UHV of the storage ring and an auxiliary vacuum of internal pockets of the experimental chamber. This permitted successful measurements of low energy recoils (hundreds of keV), since both target and detectors were windowless.

Nuclear reaction channels like elastic scattering, excitation of isoscalar giant resonances and neutron pick-up were observed in these experiments. The angular distributions for elastic scattering were analyzed with optical potentials deduced from density-folding models. In particular, the elastic differential cross sections for 58Ni+ alpha were fitted by using the t-rho rho potential which is based on the optical limit approximation of the Glauber theory. The resulting RMS point matter-radii are 3.68(10) fm and 3.64(9) fm for the measurements at 100 and 150 MeV/u, respectively. These results are in very good agreement with the literature values.

The excitation of isoscalar giant resonances has been studied for the first time in a stored-beam experiment. In the double-differential cross section measured for 58Ni+ alpha at 100 MeV/u, a well-defined peak in the energy range from 15 to 30 MeV was obtained. A fit with a Lorentz function for the Iso-Scalar Giant Monopole Resonance (ISGMR) component resulted in a centroid of 19.27(61) MeV and a width of 6.45(51) MeV. Moreover, a multipole decomposition analysis was performed to extract the ISGMR contribution. The extracted strength of the ISGMR exhausts 79^{+12}_{-11} \% of the Energy-Weighted Sum Rule (EWSR). The results are consistent with the analysis of other experiments performed in the past in normal kinematics as well as theoretical predictions.

A neutron pick-up reaction was measured in the experiment with the stored 20Ne beam. In this experiment, the contribution of the transfer to the ground state and to low-lying states of 19Ne were not kinematically separable. In order to disentangle the different components, a multipole decomposition analysis was applied to the experimental data. Spectroscopic factors were deduced from the analysis of the differential cross section for this transfer reaction. These results are in very good agreement with the predictions from shell model calculations.

The feasibility to perform different types of nuclear reactions with stored ion beams and an internal target by using in-ring detection is successfully demonstrated in this work. This is a paramount milestone toward further EXL experiments with radioactive beams at GSI and in future at FAIR.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wurden als Teil des EXL-Projekts Kernreaktionen in inverser Kinematik mit gespeicherten Ionenstrahlen untersucht. Diese Experimente wurden am Speicherring f\"ur Schwerionen, ESR, der GSI durchgef\"uhrt mit gespeicherten $^{58}$Ni- (bei 100 und 150~MeV/u) und $^{20}$Ne-Strahlen (bei 50~MeV/u). Der $^{58}$Ni-Strahl traf auf ein internes Gasjet-Target aus Helium, w\"ahrend f\"ur den $^{20}$Ne-Strahl ein entsprechendes Wasserstoff-Target verwendet wurde. Die R\"ucksto\ss teilchen aus den den unterschiedlichen Reaktionskan\"alen wurden mit einem dedizierten Detektoraufbau vermessen, der mit den Ultrahochvakuumbedingungen (UHV) des Speicherrings vertr\"aglich ist. Der Detektor enthielt doppeltseitig segmentierte Silizium-Streifenz\"ahler, die als aktive Barriere zwischen dem UHV des Speicherings und einem Hilfsvakuum in einer sogenannten internen Tasche der Streukammer betrieben wurden. Dies erlaubte die Messung von niederenergetischen R\"ucksto\ss kernen (einige 100~keV), da sowohl das Target als auch der Detektor fensterlos waren. Kernreaktionskan\"ale wie elastische Streuung, Anregung von isoskalaren Riesenresonanzen und eine Neutrontransferreaktion wurden in diesen Experimenten beobachtet. Die Winkelverteilungen f\"ur elastische Streuung wurden mit optischen Potenzialen analysiert, die aus Dichte-Faltungs-Modellen hergeleitet wurden. Insbesondere der differenzielle Wirkungsquerschnitt f\"ur die elastische Streuung $^{58}\mathrm{Ni} + \alpha$ wurde angepasst unter Verwendung des $t$-$\rho\rho$-Potenzials, welches auf dem optischen Grenzfall der Glauber-Theorie basiert. Die resultierenden RMS-Punktmaterieradien sind 3.68(10)~fm und 3.64(9)~fm f\"ur die Messungen bei 100 bzw. 150~MeV/u. Diese Ergebnisse sind in sehr guter \"Ubereinstimmung mit Literaturwerten. Die Anregung der isoskalaren Monopol-Riesenresonanz wurde erstmals in einem Experiment mit gespeichertem Strahl untersucht. Der doppelt differenzielle Wirkungsquerschnitt f\"ur $^{58}\mathrm{Ni} + \alpha$ bei 100~MeV/u zeigt einen wohldefinierten Peak im Energiebereich zwischen 15 und 30~MeV. Eine Anpassung der isoskalaren Monopol-Riesenresonanz (ISGMR) mit einer Lorentz-Funktion ergab einen Schwerpunkt von 19.27(61)~MeV und eine Breite von 6.45(51)~MeV. Dar\"uber hinaus wurde eine Multipolzerlegung durchgef\"uhrt, um den ISGMR-Anteil zu extrahieren. Die extrahierte St\"arke der ISGMR sch\"opft $79^{+12}_{-11}$~\% der energiegewichteten Summenregel (EWSR) aus. Diese Ergebnisse sind konsistent sowohl mit der Analyse von anderen Experimenten, die in der Vergangenheit in normaler Kinematik durchgef\"uhrt wurden, als auch mit Vorhersagen der Theorie. Eine Neutrontransferreaktion wurde im Experiment mit dem gespeicherten $^{20}$Ne-Strahl gemessen. In diesem Experiment konnten die Anteile f\"ur den Transfer in den Grundzustand und in niedrigliegende Zust\"ande in $^{19}$Ne kinematisch nicht getrennt werden. Um die einzelnen Anteile zu trennen, wurde eine Multipolzerlegung der experimentellen Daten durchgef\"uhrt. Die spektroskopischen Faktoren wurden aus dem differenziellen Wirkungsquerschnitt f\"ur diese Transferreaktion extrahiert. Die Ergebnisse sind in sehr guter \"Ubereinstimmung mit Vorhersagen aus dem Schalenmodell. In dieser Arbeit konnte erfolgreich gezeigt werden, dass sich unterschiedliche Typen von Kernreaktionen mit in einem Ring gespeicherten Ionenstrahlen und einem internen Target durchf\"uhren lassen. Dies ist ein wichtiger Meilenstein f\"ur weitere EXL-Experimente mit radioaktiven Strahlen bei GSI und in Zukunft bei FAIR.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 04 Feb 2016 11:05
Last Modified: 04 Feb 2016 11:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52639
Referees: Kröll, Prof. Dr. Thorsten and Harakeh, Prof. Dr. Muhsin N.
Refereed: 11 November 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5263
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