Measurement of reaction cross sections for neutron-rich tin isotopes at the R3B setup
Measurement of reaction cross sections for neutron-rich tin isotopes at the R3B setup
The nuclear Equation of State (EoS) plays a key role in many different aspects of modern physics, being fundamental for understanding the structure of nuclear matter, the properties of neutron stars, and the synthesis of heavy elements. While the properties of proton-neutron symmetric matter are relatively well known, the study of asymmetric matter via properties of neutron-rich nuclei has become a main frontier of investigation. The asymmetry part of the nuclear EoS is characterized by the symmetry energy at saturation density J and its slope parameter L which has not been constrained well experimentally. It has been identified that a precise determination of the neutron-removal cross section of neutron-rich nuclei, which is directly related to the neutron skin, would provide an improved constraint on L.
To this end, an experiment was performed at the Reactions with Relativistic Radioactive Beams (R3B) setup in the Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) facility as a part of the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) Phase-0 program. The reactions have been studied in inverse kinematics with neutron-rich tin isotopes in the mass range A=124-134 on carbon targets of different thicknesses. The reaction products have been measured at beam energies of 400-900 MeV/nucleon in a kinematically complete manner. The main goal of the experiment is to constrain the L parameter from the accurate measurement of the neutron-removal cross section by comparison to density functional theory. In addition to the neutron-removal cross section, the experiment also provides valuable data on other reaction cross sections, offering a broader picture of the nuclear reaction mechanisms. This thesis focuses on the analysis of two key cross sections: the charge-changing and charge-exchange cross sections of 124Sn + 12C and 132Sn + 12C reactions. The charge-changing cross section is particularly important for testing the reaction theory based on the Glauber model, as the root-mean-square (rms) charge radii of the studied isotopes are experimentally measured with high precision. To calculate the charge-changing cross section, the transmission method was used, achieving an uncertainty of below 1 %. Experimentally deduced charge-changing cross sections are compared with the calculations performed with Skyrme and relativistic mean-field (RMF) energy density functionals. The results show that measured absolute cross sections are larger than theoretically predicted ones by around 2 %, that there may be additional secondary reactions not currently accounted for in the theoretical model. Additionally, the charge-exchange reactions that change a neutron in the projectile to a proton, along with the underlying reaction mechanisms, are studied at a beam energy of 900 MeV/nucleon. At these high energies, delta excitation contributes to the charge-exchange reactions, and this contribution should be accounted for in the neutron-removal reaction cross section, as the primary reaction involves the projectile's neutron.
Die nukleare Zustandsgleichung (EoS) spielt eine Schlüsselrolle in vielen verschiedenen Aspekten der modernen Physik und ist grundlegend für das Verständnis der Struktur von Kernmaterie, der Eigenschaften von Neutronensternen und der Synthese schwerer Elemente. Während die Eigenschaften von protonen-neutronen-symmetrischer Materie relativ gut bekannt sind, wurde die Untersuchung der asymmetrischen Materie durch die Eigenschaften neutronenreicher Kerne zu einem aktuellen Forschungsschwerpunkt. Der Asymmetrie-Anteil der nuklearen EoS wird durch die Symmetrieenergie bei der Sättigungsdichte J und deren Steigung L charakterisiert, welcher experimentell bislang nur unzureichend eingegrenzt werden konnte. Es wurde festgestellt, dass eine präzise Bestimmung des neutron-removal-Wirkungsquerschnitt in neutronenreichen Kernen, welcher direkt mit der Neutronenhaut in Verbindung steht, eine viel bessere Eingrenzung von L liefern würde.
Zu diesem Zweck wurde ein Experiment am R3B-Aufbau an der GSI-Beschleuniger-Einrichtung im Rahmen des FAIR Phase-0 Programms durchgeführt. Die Reaktionen werden in inverser Kinematik mit neutronenreichen Zinn-Isotopen im Massenspektrum A=124-134 und Kohlenstoff-Proben unterschiedlicher Dicke untersucht. Die Reaktionsprodukte wurden bei Strahlenergien von 400-900 MeV/Nukleon kinematisch vollständig gemessen. Ein Hauptziel des Experiments ist es, den L-Parameter durch den Vergleich mit der Dichte-Funktional-Theorie aus der genauen Messung des neutron-removal-Wirkungsquerschnitts einzugrenzen. Neben dem neutron-removal-Wirkungsquerschnitt liefert das Experiment auch wertvolle Daten zu anderen Reaktions-Wirkungsquerschnitten und bietet ein breiteres Bild der nuklearen Reaktionsmechanismen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Analyse von zwei Schlüsselquerschnitten: den charge-changing- und charge-exchange-Wirkungsquerschnitt der 124Sn + 12C und 132Sn + 12C Reaktionen. Der charge-changing-Wirkungsquerschnitt ist besonders wichtig für die Überprüfung der auf dem Glauber-Modell basierenden Reaktionstheorie, da die quadratischen Ladungsradien der untersuchten Isotope mit hoher Präzision experimentell gemessen werden. Zur Berechnung des charge-changing-Wirkungsquerschnitts wurde die Transmissionsmethode verwendet, wobei eine Unsicherheit von unter 1 % erreicht wurde. Die experimentell abgeleiteten charge-changing-Wirkungsquerschnitte werden mit den Berechnungen verglichen, die mit Skyrme- und relativistischen Energiedichtefunktionalen durchgeführt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die gemessenen absoluten Wirkungsquerschnitte etwa 2 % größer sind als die theoretisch vorhergesagten, was darauf hinweist, dass zusätzliche Sekundärreaktionen auftreten könnten, die im aktuellen theoretischen Modell nicht berücksichtigt sind.
