Gamma-ray spectroscopy of neutron-rich scandium isotopes

With the advances in radioactive isotope science, nuclei far from the valley of beta-stability have become available for nuclear physics experiments. Data on exotic nuclei obtained in the last decades report on the interesting phenomena taking place at the edges of the nuclear chart. The standard magic numbers - 2, 8, 20, 28, 50, 82, and 126, known from the nuclear shell model, appear to not be uniform and can weaken and disappear, while new neutron and proton numbers obtain magic character. An example is the appearance of the neutron N = 32 and N = 34 magic numbers in the calcium isotopes. The establishment of magicity includes a series of experiments such as measurements of excited state energies, reduced transition probabilities, masses and cross sections. The region around calcium has been extensively investigated in the last decade implementing all mentioned techniques, and others, in order to determine the persistence of the new magic numbers. While the N = 32 subshell closure has been confirmed both below and above calcium, the N = 34 subshell closure seems to disappear when protons are added to ^{54]Ca. The N = 34 isotope of scandium, with one proton more than calcium, makes a perfect ground to test the shell evolution in the pf -shell. Towards the neutron rich side, scandium is approaching the N = 40 island of inversion, IoI, which is characterized by increased deformation and energetically-favoured intruder configurations in the ground states. In light of recent results on neutron-rich N = 36, 38 Ca isotopes, information on the scandium isotones will bring more understanding to the limits of the IoI. The Shell Evolution And Search for Two-plus energies At RIBF project, known as SEASTAR, aims at a systematic investigation of the neutron-rich edge of the nuclear chart, including the nuclei around the new magic numbers N = 32, 34, as well as the N = 40 Island of Inversion. The third SEASTAR campaign took place in 2017 at RIKEN-RIBF and produced the data on the N = 34 isotope of scandium, as well as the first spectroscopy of the ^{57,59}Sc, which will be presented in this work. The primary beam of ^{70}Zn was accelerated to 345 MeV/u and impinged on a ^{9}Be target, producing a beam of fission reaction products. The neutron-rich radioactive isotopes were selected and identified on an event-by-event basis in the BigRIPS fragment separator. A second target of liquid hydrogen was used to induce knockout reactions, while the surrounding Time Projection Chamber allowed for precise reaction vertex determination. In this way a good Doppler correction of the detected gamma-rays was achieved. The DALI2^{+} array was used for the γ-ray detection. The outgoing fragments were identified using the SAMURAI magnet. The neutron-rich ^{55,57,59}Sc isotopes were investigated via in-beam gamma-ray spectroscopy following direct and indirect proton and neutron removal reactions, as well as inelastic scattering. For all three isotopes level schemes were build. In the case of ^{55}Sc the obtained level scheme was compared to the one reported in literature. All level schemes were compared to state-of-the-art shell model calculations. The A3DA and SDPF-MUr interactions were implemented, which have been successfully used for the description of nuclei in the same region.

Durch die stetige Weiterentwicklung der Untersuchungsmethoden radioaktiver Isotope sind Kerne weit entfernt vom Tal der Beta-Stabilität für kernphysikalische Experimente verfügbar geworden. Erkenntnisse über exotische Kerne, die in den letzten Jahrzehnten gewonnen wurden, verweisen auf interessante Phänomene die sich an den Rändern der Nuklidkarte abspielen. Die aus dem Schalenmodell der Kernphysik bekannten Zahlen 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, scheinen nicht absolut zu sein und können aufgeweicht werden oder verschwinden, während neue Neutronen- und Protonenzahlen einen magischen Charakter erhalten. Ein Beispiel hierfür ist das Auftreten der N = 32 und N = 34 magischen Zahlen in den Ca-Isotopen. Die Untersuchung neuer magischer Zahlen umfasst eine Reihe von Experimenten, darunter Messungen von Zustandsenergien, reduzierten Übergangswahrscheinlichkeiten, Massen und Wirkungsquerschnitten. Um die Beständigkeit der neuen magischen Zahlen zu bestimmen, wurde der Region um Calcium in den letzten zehn Jahren unter anderem unter Anwendung der oben genannten Techniken eingehend untersucht. Während der N = 32 Unterschalenabschluss sowohl unterhalb als auch oberhalb von Calcium bestätigt wurde, scheint der N = 34 Unterschalenabschluss zu verschwinden, wenn weitere Protonen zu ^{54}Ca hinzugefügt werden. Die N = 34 Isotope von Scandium, mit einem Proton mehr als Calcium, eignen sich hervorragend für die Untersuchung der Schalenentwicklung in der pf -Schale. Auf der neutronenreichen Seite nähert sich Scandium der N = 40 Insel der Inversion (IoI) an, die durch verstärkte Deformation und energetisch begünstigte Intruderkonfigurationen in den Grundzuständen gekennzeichnet ist. Angesichts der jüngsten Ergebnisse zu neutronenreichen N = 36, 38 Ca-Isotopen werden die Informationen über die Sc-Isotone zu einem besseren Verständnis der Grenzen der IoI führen. Das Projekt Shell Evolution And Search for Two-plus energies At RIBF, bekannt als SEASTAR, zielt auf eine systematische Untersuchung des neutronenreichen Rands der Nuklidkarte, einschließlich der Kerne um die neuen magischen Zahlen N = 32, 34, sowie die Insel der Inversion bei N = 40. Die dritte SEASTAR Kampagne fand 2017 an RIKEN-RIBF statt und lieferte die Daten zum N = 34 Isotop von Scandium sowie die erste Spektroskopie von ^{57,59}Sc, die in dieser Arbeit vorgestellt werden. Der Primärstrahl von ^{70}Zn wurde auf 345 MeV/u beschleunigt und kollidierte mit einem ^9Be-Target, wodurch ein Strahl von Spaltprodukten erzeugt wird. Die neutronenreichen radioaktiven Isotope wurden mittels des BigRIPS-Fragmentseparators Ereignis für Ereignis ausgewählt und identifiziert. Ein zweites Target aus flüssigem Wasserstoff diente zur Einleitung einer Knockout-Reaktion. Die Bestimmung der exakten Position der Reaktion wurde mittels einer Zeitprojektionskammer ermöglicht, welche das flüssige Target umschloss. Auf diese Weise wurde eine gute Dopplerkorrektur der nachgewiesenen Gamma-Strahlen erreicht. Das DALI2^+ -Array wurde für die Detektion von Gamma-Strahlen verwendet. Die ausgehenden Fragmente wurden mit dem SAMURAI-Magneten identifiziert. Die neutronenreichen ^{55,57,59}Sc-Isotope wurden mittels In-Beam-γ-Strahlenspektroskopie nach direkten und indirekten Protonen- und Neutronenentfernungsreaktionen sowie durch inelastische Streuung untersucht. Für alle drei Isotope wurden Niveauschemata erstellt. Im Fall von ^{55}Sc wurde das erhaltene Niveauschema mit dem Literaturschema verglichen. Alle Niveauschemata wurden mit modernsten Schalenmodellberechnungen verglichen. Die A3DA- und SDPF-Mur-Wechselwirkungen, welche bereits erfolgreich für die Beschreibung von Kernen in der gleichen Region verwendet wurden, wurden implementiert.