Neutrino-Nukleosynthese der seltenen Isotope 138La und 180Ta und Entwicklung eines Siliziumballs für exklusive Elektronenstreuexperimente am S-DALINAC

Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wird eine mögliche Synthese der seltenen Isotope 138La und 180Ta durch neutrinoinduzierte geladene Stromreaktionen in einer Supernova untersucht. Hierfür wurden die Gamow-Teller Stärkeverteilungen in den Zielkernen mittels der (3He,t)-Reaktion an den 138Ba und 180Hf Targets gemessen. Ein direkter Vergleich der gewonnenen B(GT) Stärkeverteilungen mit den theoretischen RPA Vorhersagen, die in der Supernovamodellierung verwendet werden, zeigt erhebliche Abweichungen. Die gesamte unterhalb der Teilchenseparationsschwelle liegende Stärke ist allerdings in recht guter Übereinstimmung mit der Theorie für 138La, während für 180Ta einen Überschuss der experimentellen Stärke um einen Faktor 3 beobachtet wird. Eine Reanalyse der Supernovamodelle unter Verwendung der experimentellen Gamow-Teller Stärkeverteilungen lässt folgende Schlussfolgerungen zu: 138La wird bis zu 100% im ν-Produktionsprozess hergestellt. 180Ta wird auch zu einem erheblichen Teil durch neutrinoinduzierte geladene Stromreaktionen produziert. Der tatsächliche Wert ist jedoch abhängig von dem bisher unbekannten Verzweigungsverhältnis zwischen dem kurzlebigen Grundzustand und dem langlebigen Isomerzustand. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Entwicklung und den Aufbau eines 4π-Detektors für den Nachweis geladener Teilchen, des so genannten Siliziumballs. Ziel dieser Detektorentwicklung ist die Durchführung von kinematisch vollständigen Aufbruchsexperimenten in der Elektronenstreuung an 2H und 3,4He. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Siliziumball wurde an die am QCLAM-Spektrometer bestehende Infrastruktur wie Streukammer, Targetleiter, und Strahlführungselemente angepasst und kann demnächst für Experimente eingesetzt werden. Die Konstruktion des Balls erlaubt auch einfache Modifikationen zur Durchführung von Experimenten des Typs (e,e′α) zur Untersuchung von α-Cluster-Zuständen.

The present thesis consists of two parts. In the first part a possible synthesis of the rare isotopes 138La and 180Ta through neutrino-induced charged current reactions in a core-collapse supernova is studied. For that purpose Gamow-Teller strength distributions in 138La and 180Ta were measured with the help of the (3He,t)-reaction on 138Ba and 180Hf targets. A direct comparison of the resulting B(GT) strength distributions with the theoretical predictions, which are used in the supernova modelling, shows significant discrepancies. However, the cumulative strength up to the neutron separation threshold is in good agreement with the model calculations for 138La, whereas for 180Ta a considerable underprediction of a factor of three with respect to the experimental strength is observed. A reanalysis of the supernova models by using the experimental Gamow-Teller strength distributions results in the following conclusions: 138La is produced up to 100% in the ν-process. 180Ta is also significantly produced through neutrino-induced charged current reactions. The actual value depends, however, on the so far unknown branching ratio between the short-lived ground state and long-lived isomer. The second part of this work describes the development and construction of a 4π detector for the detection of the charged particles, the so-called silicon ball. The aim of the development is the ability to perform kinematically complete electron scattering breakup experiments on 2H and 3,4He. The silicon ball has been adapted to the infrastructure available at the QCLAM spectrometer, such as scattering chamber, target ladder, and beam transport elements, and is close to completion for experiments. With simple modifications the construction of the ball can be used also for experiments of the (e,e′α)-type for the investigation of α-cluster states.