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The low-Z Shore of the Island of Inversion: Invariant-mass Spectroscopy of the heavy Fluorine Isotopes 29F* & 30F at SAMURAI with NeuLAND

Kahlbow, Julian (2021):
The low-Z Shore of the Island of Inversion: Invariant-mass Spectroscopy of the heavy Fluorine Isotopes 29F* & 30F at SAMURAI with NeuLAND. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00009192,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: The low-Z Shore of the Island of Inversion: Invariant-mass Spectroscopy of the heavy Fluorine Isotopes 29F* & 30F at SAMURAI with NeuLAND
Language: English
Abstract:

The island of inversion is the region in the chart of nuclides at Z∼11 and N∼20 where the N=20 shell gap is quenched and intruder configurations are already dominant in the ground-state wave function. First experimental evidence for shell-structure changes compared to the naive shell model was found already in the 1970’s. This thesis studies the neutron-rich fluorine isotopes 30F and 29F that are located just at the predicted lower proton-number boundary of the island of inversion. The experiment was carried out in inverse kinematics at the SAMURAI setup at the Radioactive Ion Beam Factory (RIKEN Nishina Center, Tokyo/Japan). The nuclei of interest are populated in quasi-free proton- and neutron-knockout reactions at ∼250 MeV/u on the 15cm LH2 target of the MINOS device. The scattered charged nucleons are tracked in the MINOS TPC, while the heavy charged fragment is analyzed by the large-acceptance dipole magnet SAMURAI. The NeuLAND demonstrator and the NEBULA neutron detectors measure coincidentally neutrons in forward direction. The DALI2 array detects γ-rays around the target region. The NeuLAND demonstrator, part of the R³B experiment at GSI/FAIR (Germany), was added to the SAMURAI setup for a two-year experimental program. The detector was commissioned in a particular experiment where the one-neutron detection efficiency is determined at 110MeV and 250MeV. Therefore, a quasi-monoenergetic neutron beam is produced in the p(7Li,7Be)n reaction. The one-neutron detection efficiency is determined to be 31.0(13)% and 27.4(10)% (for ∆E>5MeV) at 110MeV and 250MeV, respectively. The results agree with the simulations. The SAMURAI setup allows to perform the complete spectroscopy of neutron-unbound nuclei. The first spectroscopic information for 30F is here obtained in the 31Ne(p,2p)29F+n reaction. By applying the invariant-mass method, the relative energy is calculated from the momentum measurement of the fragment and decay neutron. The ground-state resonance is determined to be at 583(85)keV with a width of Γ=730(151)keV. In the single-particle limit for a Breit-Wigner resonance the value of the width indicates a significant contribution from a valence neutron in the 2p orbital. This is a signature as found for nuclei in the island of inversion. Bound and neutron-unbound states are studied for 29F. The excited states are populated in the 30Ne(p,2p)29F* reaction. A known bound excited state at 1063(7)keV is confirmed in this experiment and a new one with transition energy of 287keV is found. Above the separation threshold 29F decays into 27F+n+n, the relative energy of the three particles is reconstructed and analyzed. Five more excited states are identified. The correlation analysis of this three-body decay in Jacobi coordinates shows that 29F* decays dominantly in sequential-decay mode via resonances in 28F. 28F is also separately investigated in the 29F(p,pn) reaction. The Breit-Wigner line shapes for sequential decay are introduced to determine the three-body resonance energies. The level and decay schemes are obtained. Eventually, the comparison to a shell-model calculation with the SDPF-M interaction and a ab-initio Self-consistent Green’s function theory using a N2LO_sat+N3LO(lnl) interaction is shown. The shell-model calculation shows reasonable agreement, while both theories do not predict the bound-state spectrum correctly. It is concluded that the N=20 shell-gap quenching persists at Z=9 (N~20) and intruder configurations are crucial in the description. The studied neutron-rich fluorine isotopes show characteristics as found in the island of inversion.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die sogenannte Insel der Inversion bei Atomkernen mit Z∼11 und N∼20 zeichnet sich durch eine Verkleinerung des Schalenabstands bei N=20 sowie durch Intruderkonfigurationen von höheren Orbitalen in der Wellenfunktion aus. Erste experimentelle Hinweise auf die Veränderung der Schalenstruktur im Vergleich zum einfachen Schalenmodell gab es bereits in den 1970er Jahren. Diese Arbeit untersucht die Fluor-Isotope 30F und 29F, die sich an der vorhergesagten unteren Grenze für die Kernladungszahl der Insel der Inversion befinden. Das Experiment wurde am SAMURAI-Setup der Radioactive Ion Beam Factory (RIKEN Nishina Center, Tokio/Japan) durchgeführt. Die zu untersuchenden Atomkerne werden in quasi-freien Proton- und Neutron-Knockout-Reaktionen an dem 15cm langen MINOS LH2-Target bei ∼250 MeV/u produziert. Die Spuren der gestreuten leichten, geladenen Nukleonen werden in der MINOS TPC gemessen. Die schweren, geladenen Reaktionsfragmente werden hingegen mit dem SAMURAI Dipol-Magneten analysiert. Die Neutronendetektoren NeuLAND Demonstrator und NEBULA messen koinzident Neutronen unter Vorwärtsrichtung. Der DALI2-Detektor misst γ-Strahlung in der Target-Region. Der NeuLAND Demonstrator ist ein Detektor am R³B-Experiment bei GSI/FAIR (Deutschland), wurde aber für eine zweijährige Experimentierkampagne am SAMURAI-Setup eingesetzt. Mit einem separaten Experiment, bei dem die 1-Neutronen-Nachweiseffizienz bei den Energien 110MeV und 250MeV bestimmt werden sollte, wurde der Detektor charakterisiert. Dazu wurde ein nahezu monoenergetischer Neutronenstrahl in der p(7Li,7Be)n Reaktion produziert. Die 1-Neutronen-Nachweiseffizienz wurde zu 31.0(13)% bei 110MeV und zu 27.4(10)% bei 250MeV (für ∆E>5MeV) bestimmt. Diese Ergebnisse stimmen mit Resultaten aus Simulationen überein. Das SAMURAI-Setup ermöglicht die vollständige Spektroskopie neutronen-ungebundener Atomkerne. Erstmalig wird hier 30F analysiert, dafür wird die Reaktion 31Ne(p,2p)29F+n untersucht. Unter Anwendung der Invarianten-Masse-Methode wird die Relativenergie aus der Impulsmessung von Fragment und Neutron berechnet. Die Grundzustandsenergie liegt bei 583(85) keV bei einer Resonanzbreite von Γ=730(151)keV. Dieses Ergebnis deutet im Einteilchenlimit für die Breite einer Breit-Wigner-Resonanz auf einen deutlichen Beitrag des Valenzneutrons im 2p-Orbital hin. Diese Konfiguration entspricht einer typischen Signatur, wie sie bei Kernen in der Insel der Inversion zu finden ist. Im Fall von 29F werden gebundene und neutronen-ungebundene Zustände analysiert. Diese angeregten Zustände werden bei der 30Ne(p,2p)29F* Reaktion erzeugt. Die Messung bestätigt einen bereits bekannten, gebundenen angeregten Zustand bei 1063(7)keV. Außerdem wurde ein neuer Zustand mit einer Übergangsenergie von 287keV identifiziert. Überhalb der Separationsschwelle zerfällt 29F in 27F+n+n, die Relativenergie wird wiederum für die drei Teilchen berechnet und analysiert. Dabei werden fünf weitere Zustände identifiziert. Die Korrelationsanalyse in Jacobi-Koordinaten zeigt, dass 29F* vorwiegend sequentiell über Resonanzen in 28F zerfällt. 28F wird auch separat in der Reaktion 29F(p,pn) untersucht. Die Drei-Körper-Resonanzen werden mit speziellen Breit-Wigner-Distributionen für den sequentiellen Zerfall analysiert. Die Ergebnisse für 29F werden mit einer Schalenmodell-Rechnung, die die SDPF-M Wechselwirkung verwendet, verglichen, sowie mit der ab-initio Self-consistent Green’s Function Theorie, die die N2LO_sat+N3LO(lnl) Wechselwirkung benutzt. Die Schalenmodell-Rechnung zeigt bessere Übereinstimmungen, wobei beide Theorien das Spektrum der gebundenen Zustände nicht reproduzieren können. Es wird geschlussfolgert, dass die Verkleinerung des Schalenabstands bei N=20 auch für Z=9 fortbesteht und Intruderkonfigurationen für die Beschreibung der Zustände erforderlich sind. Die neutronenreichen Fluor-Isotope zeigen Charakteristika wie andere Kerne in der Insel der Inversion.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xv, 238 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
Date Deposited: 02 Jul 2021 07:26
Last Modified: 02 Jul 2021 07:26
DOI: 10.26083/tuprints-00009192
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-91920
Referees: Aumann, Prof. Dr. Thomas ; Kröll, Prof. Dr. Thorsten
Refereed: 8 July 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9192
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