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Proton-Knockout Reactions from Neutron-Rich N Isotopes at R3B

Syndikus, Ina Josephine (2019):
Proton-Knockout Reactions from Neutron-Rich N Isotopes at R3B.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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SyndikusIna_PhDThesis_190620.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Proton-Knockout Reactions from Neutron-Rich N Isotopes at R3B
Language: English
Abstract:

One-proton knockout reactions from neutron-rich 17N, 19N, and 21N isotopes have been performed in inverse kinematics at the R3B/LAND setup at GSI in Darmstadt during the experimental campaign S393. They have been measured in a kinematically complete way with a beam energy of 490 AMeV.

This thesis presents the inclusive and exclusive cross sections of Quasi-Free Scattering (QFS) and knockout reactions and compares them with calculations in the Glauber framework. The results are interpreted in a configuration mixing model describing the first excited 2+ state of the fragments as a mixture of a pure proton and a pure neutron excitation. The comparison of the experimental and theoretical cross sections shows that this description is missing short- and long-range correlations. Furthermore, the proton amplitude for the neutron-rich, even-even 16C, 18C, and 20C isotopes is extracted from the ratio of the exclusive cross sections of the first excited 2+ state and the 0+ ground state of the QFS reactions. The results support the two-state mixing picture. The behavior of the proton amplitude can be explained by the reduction of the spin-orbit splitting of the 1p1/2 and 1p3/2 proton orbit as an effect of the tensor force between the protons and the neutrons in the sd shell. Moreover, it helps to understand the increase of the B(E2;2+ → 0+g.s.) quadrupole transition strength towards the neutron-rich 20C isotope.

The analysis leading to these results is presented in detail. This includes the identification of the incoming and outgoing particles as well as a discussion of several addback algorithms to reconstruct the γ-ray energies. The number of recorded events and problems with the triggering are identified as the main sources for the experimental uncertainties. The γ-ray spectra are compared to simulations. The simulations have been performed in R3BRoot, a software package making use of the GEANT toolkit dedicated to experiments with the R3B setup. In this context, the proton and γ-ray detection efficiencies of the Crystal Ball detector are discussed.

In addition, two position sensitive silicon prototype detectors which will be used as in-beam tracking detectors in the updated R3B setup have been tested at KVI-CART. Their performance, i.e., their energy and position resolution, is investigated in terms of the integration time of the electronic read out. While the energy resolution is best for large integration times, the position resolution improves with decreasing integration time. These findings are discussed in terms of the noise introduced by the resistive surface of the detectors and the resulting pulse shapes.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Während der S393 Kampagne wurden am R3B/LAND Aufbau an der GSI in Darmstadt Proton-Knockout Reaktionen an den neutronenreichen Isotopen 17N, 19N und 21N in inverser Kinematik kinematisch vollständig gemessen. Die Reaktionen fanden bei einer Strahlenergie von 490 AMeV statt. Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse der inklusiven und exklusiven Wirkungsquerschnitte für Quasi-Freie Streuung (QFS) und Knockout-Reaktionen und vergleicht sie mit Berechnungen im Glauber-Modell. Die Ergebnisse werden im Rahmen des Configuration Mixing Modells interpretiert, welches den ersten angeregten 2+ Zustand des Fragments als Mischung einer reinen Protonen- und einer reinen Neutronenanregung beschreibt. Der Vergleich der experimentellen und der theoretischen Wirkungsquerschnitte zeigt, dass diese Beschreibung sowohl kurz- als auch langreichweitige Korrelationen nicht ausreichend berücksichtigt. Zusätzlich wird die Protonenamplitude der neutronenreichen, gerade-gerade Isotope 16C, 18C und 20C aus dem Verhältnis der exklusiven Wirkungsquerschnitte des ersten angeregten 2+ Zustandes und des 0+ Grundzustandes ermittelt. Die Ergebnisse bestätigen das Bild der sich mischenden Zustände. Der Anstieg der Protonenamplitude für neutronenreichere Kerne kann erklärt werden durch die Reduktion der Spin-Orbit-Aufspaltung zwischen dem 1p1/2 und dem 1p3/2 Orbital der Protonen, die durch die Tensorkraft zwischen den Protonen und den Neutronen in der sd Schale verursacht wird. Des Weiteren hilft der Ansteig der Protonenamplitude den Anstieg der B(E2;2+ → 0+g.s.) Quadrupolestärke für das neutronenreiche Isotop 20C zu verstehen. Die Methodik der Datenanalyse wird in dieser Arbeit ausführlich beschrieben. Die Identifikation der einkommenden und ausgehenden Teilchen wird ebenso diskutiert, wie auch verschiedene Addback-Algorithmen zur Rekonstruktion der Energie der γ-Strahlung. Die Anzahl der gemessenen Ereignisse sowie Triggerprobleme werden als Hauptursache für die experimentellen Unsicherheiten identifiziert. Die γ-Spektren werden mit Simulationen verglichen. Die Simulationen wurden mit R3BRoot durchgeführt, einem Softwarepaket, das das GEANT Toolkit nutzt und auf die Beschreibung von Experimenten mit dem R3B Aufbau spezialisiert ist. In diesem Zusammenhang wird auch die Detektionseffizienz des Detektors Crystal Ball für γ-Strahlung und Protonen diskutiert. Zusätzlich wurden zwei Prototypen für positionssensitive Siliziumdetektoren am KVI-CART getestet, die im neuen R3B Aufbau als Trackingdetektoren genutzt werden sollen. Ihr Verhalten, wie z.B. ihre Energie- und Positionsauflösung, wird in Abhängigkeit der Integrationszeit der elektrischen Auslese untersucht. Während die beste Energieauflösung für lange Integrationszeiten erreicht wird, verbessert sich die Positionsauflösung für kurze Integrationszeiten. Die Ergebnisse werden in Bezug auf das Rauschen, das durch die resistive Oberfläche der Detektoren verursacht wird, und der daraus resultierenden Pulsformen diskutiert.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Experimental Nuclear Structure Physics with Exotic Ion Beams
Date Deposited: 11 Sep 2019 14:40
Last Modified: 11 Sep 2019 14:40
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-82234
Referees: Petri, PhD Marina and Aumann, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 21 November 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8223
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