γ-ray spectroscopy of the Neutron-rich ¹⁸⁸٫¹⁸⁹Ta isomeric decay

Since the discovery of the atomic nucleus and nuclear forces, particularly the strong interaction that holds the components of the nucleus together, physicists have been trying to explain the properties of this strong interaction and its mechanism, as well as the general properties of the nucleus. This pursuit led to the development of experimental techniques through which the properties of exotic nuclei can be investigated. One of the world’s leading accelerator complexes capable of producing heavy exotic nuclei is the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, located in Darmstadt, Germany. In March 2021, the S452 experiment was conducted at the GSI facility to investigate the nuclear structure of nuclei far from the line of stability. Heavy, neutron-rich isotopes in the mass number range A ∼ 190 were produced via fragmentation at 1 GeV/u with primary beams of ²⁰⁸Pb impinging on a ⁹Be target. The nuclei of interest were then identified on an event-by-event basis by determining the atomic number Z and the mass-to-charge ratio, A/Q. The selected isotopes were then delivered to the DESPEC setup for nuclear structure studies, where the ions were stopped by a stack of silicon layers in the AIDA setup. The isomeric decay of the odd-odd nucleus ¹⁸⁸Ta and the odd-even nucleus ¹⁸⁹Ta was investigated using γ-ray spectroscopy. The study was carried out using two EUROBALL clusters, each containing seven encapsulated HPGe crystals, placed in a forward position with respect to AIDA. Additionally, 36 ultra-fast LaBr₃(Ce) detectors from the FATIMA setup were arranged in three rings around the AIDA setup. Results obtained from the experimental data revealed the existence of new isomeric states in both the ¹⁸⁸Ta and ¹⁸⁹Ta isotopes. Lifetime measurements of the new isomeric states are presented in this work, as well as the previously reported isomeric states with improved precision. In the case of the ¹⁸⁸Ta isotope, the isomeric ratio of both the newly discovered and previously reported isomeric states is also presented. New spectroscopic results have been obtained for the ¹⁸⁹Ta isotope. Three high-K isomeric states have been identified in this work, one of which was already reported in earlier studies. The information obtained, such as γ−γ coincidences and relative intensities Iγ from our study, allows us to establish a partial level scheme for ¹⁸⁹Ta. Theoretical calculations (TRS) were performed for one-quasiparticle states and three-quasiparticle states in ¹⁸⁹Ta to explain the new experimental results and to characterize the isomeric states. Additionally, a second partial level scheme is proposed based on spectroscopic comparisons between the ¹⁸⁹Ta and the ¹⁸⁵,¹⁸⁷Ta isotopes.

Seit der Entdeckung des Atomkerns und der Kernkräfte, insbesondere der starken Wechselwirkung, die die Bestandteile des Kerns zusammenhält, haben Physiker versucht, die Eigenschaften dieser starken Wechselwirkung und ihren Mechanismus zu erklären, sowie die allgemeinen Eigenschaften des Kerns. Dieses Bestreben führte zur Entwicklung experimenteller Techniken, mit denen die Eigenschaften exotischer Kerne untersucht werden können. Ein weltweit führender Beschleunigerkomplex, der in der Lage ist, schwere exotische Kerne zu erzeugen, ist das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, das in Darmstadt, Deutschland, ansässig ist. Im März 2021 wurde am GSI-Zentrum das Experiment S452 durchgeführt, um die Kernstruktur von Kernen zu untersuchen, die weit von der Stabilitätslinie entfernt sind. Schwere, neutronenreiche Isotope im Massenzahlenbereich A~190 wurden durch Fragmentierung Energien von 1 GeV/u mit Primärstrahlen von ²⁰⁸Pb, die auf ein ⁹Be-Target trafen, erzeugt. Die interessierenden Kerne wurden dann auf Ereignisbasis identifiziert, indem die Ordnungszahl Z und das Verhältnis von Massenzahl zu Ladungszahl, A/Q, bestimmt wurden. Die ausgewählten Isotope wurden zur Untersuchung der Kernstruktur an das DESPEC-Setup weitergeleitet, wobei die Ionen durch einen Stapel von Siliziumschichten des AIDA-Setups gestoppt wurden.

Der isomerische Zerfall des ungeraden-ungeraden Kerns (Z=73,N=115) und des ungeraden-geraden Kerns (Z=73,N=116) wurde mittels γ-Strahlenspektroskopie untersucht. Die Studie wurde mit zwei EUROBALL-Clustern durchgeführt, die jeweils aus sieben HPGE-Detektoren bestanden und in einer Vorwärtsposition im Vergleich zu AIDA angeordnet waren. Zudem wurden 36 ultra-schnelle LaBr₃(Ce)-Detektoren aus dem FATIMA-Setup verwendet, die in drei Ringen um das AIDA-Setup herum angeordnet waren. Die aus den experimentellen Daten gewonnenen Ergebnisse zeigten die Existenz neuer isomerischer Zustände in den Isotopen ¹⁸⁸Ta und ¹⁸⁹Ta. Lebensdauermessungen neuer isomerischer Zustände werden in dieser Arbeit präsentiert, ebenso wie die bereits veröffentlichen Zustände, nun mit verbesserter Präzision. Im Fall des Isotops ¹⁸⁸Ta wird das isomerische Verhältnis für sowohl neu entdeckte als auch bereits bekannte isomerische Zustände präsentiert. Neue spektroskopische Ergebnisse für das Isotop ¹⁸⁹Ta wurden ebenfalls erzielt. In dieser Arbeit wurden drei isomere Zustände mit hohem K-Wert identifiziert, von denen ein Zustand bereits in früheren Studien berichtet wurde. Die gewonnenen Informationen, wie γ-γ-Koinzidenzen und relative Intensitäten Iγ aus unserer Studie, ermöglichen es uns, ein partielles Niveauschema für 189Ta aufzustellen. Theoretische Berechnungen (TRS) wurden für einen Quasiteilchen-Zustand und drei-qp Zustände in ¹⁸⁹Ta durchgeführt, um die neuen experimentellen Ergebnisse zu erklären und die isomerischen Zustände zu charakterisieren. Zusätzlich wird ein zweites partielles Niveauschema vorgeschlagen, das auf spektroskopischen Vergleichen zwischen den Isotopen ¹⁸⁹Ta und ¹⁸⁵,¹⁸⁷Ta basiert.