Fully Exclusive Quasi-Free 12,16C(p,2p) Knockout Reactions in Inverse Kinematics at R3B

This thesis investigates the evolution of single-particle structure and spectroscopic strength in the carbon isotopes 12C and 16C through exclusive quasi-free (p,2p) reactions in inverse kinematics at a beam energy of 1.25 GeV/u. The experiment was conducted at the R3B setup at GSI/FAIR, using a liquid hydrogen target and a kinematically complete measurement by detection of all reaction products. The analysis involved calibrations of various detector systems, with a focus on the fiber detectors and the time-of-flight wall (ToFD) used for tracking and identification of outgoing fragments. A key advancement was the development of a new multi-fragment tracking routine, combined with a multi-dimensional fit (MDF) method, for angular and momentum reconstruction with high resolution. The experimental setup was modeled in a full simulation, including the (p,2p) kinematics and various populated final states. Based on this, the detector response was extracted, allowing comparison to theory predictions. Both bound and unbound final states of the 11,15B* populated following (p,2p) reactions were analyzed, allowing a comparative study of momentum distributions and reduction factors across isotopes. For 11B this includes 7Li + α, 10B + n and 10Be + p channels, while for 15B the 14B + n and 14Be + p channels were analyzed. The intrinsic momentum distribution of the knocked-out proton was reconstructed via measurement of the outgoing fragment(s) momentum, and for unbound states an invariant-mass analysis was employed to extract the excitation energy profiles. Spectroscopic factors and orbital admixtures were determined by fitting the measured momentum distributions with theoretical ones. For bound 11,15B final states, clear p-wave shape is observed in the spectra, and the widths of the distributions show a slight increase with neutron number, consistent with theoretical expectations. While the neutron and proton decay channels in 11B exhibit mixed configurations, those in 15B allow isolated access to p- and s-orbitals, respectively. In particular, a narrower momentum width is found for the s-wave, which challenges an opposite trend from previous semi-inclusive measurements along the carbon isotopic chain. Additionally, reduction factors are extracted from exclusive cross sections. The spectroscopic strength in 12C shows a reduction exceeding the commonly quoted ~40%, yet remains consistent with high-energy proton-removal measurements. In 16C, an additional suppression is observed, which may however still align with an approximately constant reduction factor. Any further depletion could be partly attributed to increased fragmentation into unbound final states in neutron-rich nuclei, where the neutron separation energy decreases. Finally, the excitation energy spectra for the breakup channels were reconstructed. Several resonance structures were identified, with a clear significance in particular for the 7Li + α and 10Be + p channels, while the neutron decays are dominated by non-resonant contributions.

Diese Arbeit untersucht die Entwicklung der Ein-Teilchen-Struktur und der spektroskopischen Stärke in den Kohlenstoffisotopen 12C und 16C durch exklusive quasi-freie (p,2p)-Reaktionen in inverser Kinematik bei einer Strahlenergie von 1,25 GeV/u. Das Experiment wurde an R3B bei GSI/FAIR durchgeführt, mittels eines Flüssigwasserstofftargets und einer kinematisch vollständigen Messung aller Reaktionsprodukte. Die Analyse umfasste Kalibrierungen verschiedener Detektorsysteme, mit Schwerpunkt auf den Faser-Detektoren und der Flugzeitwand (ToFD), die zur Spurrekonstruktion und Identifikation der ausgehenden Fragmente dienten. Ein wesentlicher Fortschritt war die Entwicklung einer neuen Multifragment-Analyse, in Kombination mit einer Multi-Dimensional-Fit-(MDF)-Methode zur Winkel- und Impulsrekonstruktion mit hoher Auflösung. Der experimentelle Aufbau wurde in einer Simulation vollständig modelliert, einschließlich der (p,2p)-Kinematik und verschiedener (angeregter) Endzustände. Darauf basierend wurde das Detektorverhalten extrahiert, und ein Vergleich mit theoretischen Vorhersagen ermöglicht. Sowohl gebundene als auch ungebundene Endzustände der 11,15B*, erzeugt durch (p,2p)-Reaktionen, wurden analysiert, welche eine vergleichende Studie der Impulsverteilungen und Reduktionsfaktoren zwischen den Isotopen erlaubten. Für 11B wurden die Zerfallskanäle 7Li + α, 10B + n und 10Be + p untersucht, während für 15B die Kanäle 14B + n und 14Be + p analysiert wurden. Die intrinsische Impulsverteilung des herausgeschlagenen Protons wurde über die Messung des Impulses der ausgehenden Fragmente rekonstruiert, und für ungebundene Zustände wurde eine Analyse der invarianten Masse zur Bestimmung der Anregungsenergiespektren durchgeführt. Spektroskopische Faktoren und Orbitalkomponenten wurden durch Fits der gemessenen Impulsverteilungen an theoretische Verteilungen bestimmt. Für gebundene 11,15B-Endzustände zeigt sich in den Spektren eine deutliche p-Wellenstruktur, und die Breite der Verteilungen nimmt mit zunehmender Neutronenzahl leicht zu, konsistent mit theoretischen Erwartungen. Während die Neutronen- und Protonen-Zerfallskanäle in 11B gemischte Konfigurationen aufweisen, ermöglichen jene in 15B den isolierten Zugang zu p- bzw. s-Orbitalen. Insbesondere wurde eine geringere Impulsbreite für die s-Welle beobachtet, was im Widerspruch zu einem gegenteiligen Trend früherer semi-inklusiver Messungen entlang der Kohlenstoff-Isotopenkette steht. Des Weiteren wurden Reduktionsfaktoren aus exklusiven Wirkungsquerschnitten bestimmt. Die spektroskopische Stärke in 12C zeigt eine Reduktion, welche die gängig zitierten ~40% übersteigt, jedoch weiterhin mit Protonstreureaktionen bei hohen Energien übereinstimmt. 16C zeigt eine zusätzliche Reduktion auf, welche jedoch weiterhin im Rahmen einer konstanten Reduktionsstärke bei hohen Energien interpretiert werden kann. Jegliche weitere Reduktion kann teilweise auf eine verstärkte Fragmentierung in ungebundene Endzustände in neutronenreichen Kernen zurückgeführt werden, bei denen die Neutronenbindungsenergie abnimmt. Abschließend wurden die Anregungsenergiespektren der Zerfallskanäle rekonstruiert. Mehrere Resonanzstrukturen wurden identifiziert, mit deutlicher Signifikanz insbesondere für die 7Li + α- und 10Be + p-Kanäle, während die Neutronen-Zerfälle stark nicht-resonant sind.