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Nuclear Charge Radii across the N=Z=28 Shell Closure in Nickel Isotopes

Sommer, Felix (2022):
Nuclear Charge Radii across the N=Z=28 Shell Closure in Nickel Isotopes. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020359,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Nuclear Charge Radii across the N=Z=28 Shell Closure in Nickel Isotopes
Language: English
Abstract:

Collinear laser spectroscopy enables the determination of nuclear ground-state charge radii and electromagnetic moments for short-lived isotopes. Within this work, spectroscopy was performed on neutron-deficient nickel isotopes in the region of the doubly magic 56Ni, and an improved charge-exchange cell for spectroscopy of palladium isotopes was developed.

For numerous elements, laser spectroscopy is not possible from the ground state of the ion due to a lack of suitable transitions. For this reason, charge-exchange cells are often used and are typically operated with alkali metals. Spectroscopy on palladium would instead profit from an exchange on magnesium since the desired meta-stable state could then be resonantly populated. To make this possible, an advanced design of a charge-exchange cell for collinear laser spectroscopy has been realized. Compared to previous cells, it allows higher temperatures and operation at higher voltages. The new cell has been installed as part of the collinear spectroscopy setup at Argonne National Lab in Chicago. During commissioning measurements, the neutralization of a calcium-ion beam on magnesium vapor has been demonstrated and an atomic calcium resonance was recorded.

Furthermore, neutron deficient and stable nickel isotopes have been investigated by collinear laser spectroscopy in the BECOLA experiment at the National Superconducting Cyclotron Laboratory in East Lansing. The spectra of 55,56,58,60Ni have been analyzed within this work. A King-plot method yielded the differential mean squared charge radii compared to the stable isotope 60Ni, and absolute nuclear charge radii were derived from these results. The measurements reveal a "kink" in the slope of the charge radii at the doubly-magic N=Z=28 shell closure. A comparison to nuclear theories shows good agreement for calculations using the Fayans density functional theory. Predictions from ab initio calculations for the nuclear charge radius of 56Ni could now, for the first time, be benchmarked to an experimental value. The comparison of different nuclear interactions via the coupled-cluster method reveals a significant scattering of the results and an incomplete uncertainty estimate complicates the interpretation. The latter is significantly improved by a recent method for Bayesian treatment of the uncertainties in the IMSRG framework, which yields results that are in good agreement with the experiment though less precise.

In addition to the charge radii, the nuclear magnetic dipole moment of 55Ni was determined from the hyperfine structure. The result corrects the previous experimental value from a β-NMR measurement and is in good agreement with theory calculations that have proven reliable in other isotopes before.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Kollineare Laserspektroskopie ermöglicht die Bestimmung von Kernladungsradien und elektro-magnetischen Momenten des Kerngrundzustandes kurzlebiger Isotope. In dieser Arbeit wurde Spektroskopie an neutronenarmen Nickel-Isotopen in der Region des doppelt magischen 56Ni durchgeführt und eine verbesserte Ladungsaustauschzelle für die Spektroskopie an Palladium-Isotopen entwickelt.

Bei zahlreichen Elementen ist die Laserspektroskopie aus dem Grundzustand des Ions mangels geeigneter Übergänge nicht möglich. Daher werden häufig Ladungsaustauschzellen eingesetzt, die in der Regel mit Alkalimetallen betrieben werden. Für die Spektroskopie an Palladium wäre jedoch der Austausch mit Magnesium vorteilhaft, da hierbei resonant der gewünschte metastabile Zustand besetzt werden könnte. Um dies zu ermöglichen, wurde eine verbesserte Ladungsaustauschzelle für die kollineare Laserspektroskopie entwickelt. Im Vergleich zu früheren Zellen erlaubt das neue Design höhere Temperaturen sowie den Betrieb unter höheren Spannungen. Die neue Ladungsaustauschzelle wurde als Teil einer kollinearen Apparatur am Argonne National Laboratory in Chicago aufgebaut. Bei der Inbetriebnahme wurde die Neutralisierung von Calcium-Ionen an Magnesium-Dampf demonstriert und anschließend die optische Resonanz der Calcium-Atome gemessen.

Des Weiteren wurden neutronenarme und stabile Nickel Isotope mittels kollinearer Laserspektroskopie an der BECOLA Apparatur am National Superconducting Cyclotron Laboratory in East Lansing untersucht. Die Spektren von 55,56,58,60Ni wurden im Rahmen dieser Arbeit analysiert. Dabei lieferte ein King-Plot Verfahren die Differenzen der quadrierten Ladungsradien relativ zu 60Ni, aus denen wiederum die absoluten Kernladungsradien abgeleitet wurden. Die Ergebnisse zeigen einen "Knick" in der Steigung der Ladungsradien am doppelt-magischen Schalenabschluss mit N=Z=28. Der Vergleich mit Kerntheorien ergibt gute Übereinstimmungen für Rechnungen auf Basis der Fayans Dichtefunktionaltheorie. Vorhersagen aus ab initio Rechnungen für den Kernladungsradius von 56Ni konnten nun erstmals mit einem experimentellen Bezugswert verglichen werden. Der Vergleich mehrerer Nukleonen-Wechselwirkungen mittels der Coupled-Cluster Methode zeigt eine signifikante Streuung der Resultate und eine unvollständige Fehlerabschätzung erschwert die Interpretation. Letzteres wird durch eine Bayes'schen Behandlung der Unsicherheiten in aktuellen IMSRG Rechnungen deutlich verbessert. Die resultierenden Werte sind mit dem Experiment gut verträglich jedoch weniger präzise.

Aus der Hyperfeinstruktur wurde außerdem das magnetische Kernmoment von 55Ni bestimmt. Das Resultat korrigiert den bisherigen Wert aus einer β-NMR Messung, und stimmt gut mit Kerntheorie-Rechnungen überein, die sich bereits für andere Isotope als zuverlässig erwiesen haben.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 105, xxxiv Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Atom- und Kernphysik radioaktiver Nuklide
TU-Projects: DFG|SFB1245|A03 Nörtershäuser SF
Date Deposited: 05 Apr 2022 13:05
Last Modified: 05 Apr 2022 13:06
DOI: 10.26083/tuprints-00020359
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-203596
Referees: Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried ; Kröll, Prof. Dr. Thorsten
Date of oral examination: 7 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20359
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