Isovector One-Quadrupole-Phonon Excitations of Heavy Vibrational Nuclei

Kern, Ralph (2021)
Isovector One-Quadrupole-Phonon Excitations of Heavy Vibrational Nuclei.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00018581
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type:

Ph.D. Thesis

Type of entry:

Primary publication

Title:

Isovector One-Quadrupole-Phonon Excitations of Heavy Vibrational Nuclei

Language:

English

Referees:

Pietralla, Prof. Dr. Norbert ; Enders, Prof. Dr. Joachim

Date:

2 June 2021

Place of Publication:

Darmstadt

Collation:

x, 195 Seiten

Date of oral examination:

3 May 2021

DOI:

10.26083/tuprints-00018581

Abstract:

The investigation and identification of mixed-symmetry states stand in the focus of this work. They are formed from collective vibrations and rotations of valence neutrons and protons, where the two nucleon groups oscillate partly out-of-phase with respect to each other. In vibrational nuclei, the $2^+_\mathrm{1,ms}$ state is the lowest-lying mixed-symmetry level.

For the $N=80$ isotones, the sub-shell closure at $Z=58$ highly effects the structure of the $2^+_\mathrm{1,ms}$ state. Up to $Z=56$, the isotones have isolated $2^+_\mathrm{1,ms}$ states, but for $^{138}$Ce ($Z=58$), it is strongly fragmented. This behaviour is explained by the valence-shell stabilization, which is lacking at the proton sub-shell closure $Z=58$. For addressing the question how the $2^+_\mathrm{1,ms}$ state behaves while going beyond the proton sub-shell closure, projectile Coulomb-excitation experiments were performed. They took place at HIE-ISOLDE at CERN using the $\gamma$-ray spectrometer Miniball with the radioactive ion beams of the $N=80$ isotones $^{140}$Nd and $^{142}$Sm. The enhanced $B(M1;2^+_3\to2^+_1)=0.26^{+0.11}_{-0.10}\,\mu_\mathrm{N}^2$ strength and the low upper limit $B(M1;2^+_4\to2^+_1)<0.04\,\mu_\mathrm{N}^2$ of $^{140}$Nd showed the restoration of the valence-shell stabilization at $Z=60$. From the $M1$ strength distribution, the quality of the $F$ spin of $^{140}$Nd was determined by the $F$-spin mixing matrix element $V_\mathrm{F-mix}<7^{+13}_{-7}\,\mathrm{keV}$. The reduced mixing matrix element supports the proposed restoration of the valence-shell stabilization. For $^{142}$Sm, the Coulomb-excitation analysis delivered an upper limit $B(M1;2^+_3\to2^+_1)<0.14^{+0.37}_{-0.01}\,\mu_\mathrm{N}^2$, which is not in conflict with the conclusions from the $^{140}$Nd experiment. A complementary $\gamma$-$\gamma$ correlation measurement after $\beta^+$/$\epsilon$ decay to determine the indispensable $E2$/$M1$ multipole-mixing ratio $\delta$ of the $2^+_3\to2^+_1$ transition of $^{142}$Sm was designed for the Heavy Ion Laboratory in Warsaw and accepted.

For the stable $^{202}$Hg, a projectile Coulomb-excitation experiment was conducted at the ATLAS facility at the ANL using the $\gamma$-ray spectrometer Gammasphere. Simultaneously, angular particle-$\gamma$ correlations were measured with the aim of deducing $\delta$. In $^{202}$Hg a pronounced $B(M1;2^+_7\to2^+_1)=0.18(8) \,\mu_\mathrm{N}^2$ with $\delta=0.06(4)$ was found, while an upper limit for the neighboring transition was obtained, $B(M1;2^+_8\to2^+_1)<0.027 \,\mu_\mathrm{N}^2$. For the first time in the mass region $A\approx200$, the $F$-spin mixing quality was determined, for $^{202}$Hg and $^{204}$Hg, $V_\mathrm{F-mix}=9(2)^{+3}_{-3}\,\mathrm{keV}$ and $11(1)^{+4}_{-5}\,\mathrm{keV}$, respectively.

Consequently, $F$ spin can be considered a sufficiently good approximate quantum number in the investigated nuclei of $N,Z=80$ near doubly-magic isotopes.

Alternative Abstract:

Alternative Abstract

Language

Die Untersuchung und Identifikation gemischt-symmetrischer Zustände steht im Fokus dieser Arbeit. Sie werden aus kollektiven Vibrationen und Rotationen der Valenzneutronen und -protonen geformt, wobei die zwei Nukleonengruppen zum Teil außer Phase zueinander oszillieren. In vibrationellen Kernen ist der $2^+_\mathrm{1,ms}$-Zustand das am niedrigsten gelegene gemischt-symmetrische Level.

Es wurde ein signifikanter Effekt des Unterschalenabschluss bei $Z=58$ auf den $2^+_\mathrm{1,ms}$-Zustand für die $N=80$ Isotone beobachtet. Während die Isotone bis $Z=56$ einen isolierten $2^+_\mathrm{1,ms}$-Zustand aufweisen, ist dieser für $^{138}$Ce ($Z=58$) stark fragmentiert. Das wird mit der Valenzschalen-Stabilisierung bergründet, die am Unterschalenabschluss bei $Z=58$ fehlt. Um die $2^+_\mathrm{1,ms}$-Zustände der $N=80$ Isotone beim Überqueren des Protonen-Unterschalenabschlusses zu studieren, wurden Coulomb-Anregungs-Experimente durchgeführt. Diese fanden mit den radioaktiven Strahlen der $N=80$ Isotone $^{140}$Nd und $^{142}$Sm an HIE-ISOLDE am CERN mit Nutzung des $\gamma$-Spektrometers Miniball statt. Die erhöhte $B(M1;2^+_3\to2^+_1)=0.26^{+0.11}_{-0.10}\,\mu_\mathrm{N}^2$ Stärke und das niedrige obere Limit $B(M1;2^+_4\to2^+_1)<0.04\,\mu_\mathrm{N}^2$ von $^{140}$Nd weist auf eine Wiederherstellung der Valenzschalen-Stabilisierung bei $Z=60$ hin. Von dieser $M1$-Stärke-Verteilung wird die Qualität des $F$-Spins von $^{140}$Nd anhand des $F$-Spin-Mischungs-Matrixelements $V_\mathrm{F-mix}<7^{+13}_{-7}\,\mathrm{keV}$ bestimmt. Das verringerte Mischungs-Matrixelement unterstützt die Annahme der wiederhergestellten Valenzschalen-Stabilisierung. Für $^{142}$Sm lieferte die Analyse der Coulomb-Anregung das obere Limit $B(M1;2^+_3\to2^+_1)<0.14^{+0.37}_{-0.01}\,\mu_\mathrm{N}^2$, welches nicht in Konflikt mit den Schlussfolgerungen des $^{140}$Nd-Experiments steht. Eine komplementäre $\gamma$-$\gamma$ Korrelationsmessung nach einem $\beta^+$/$\epsilon$-Zerfall wurde entworfen um das notwendige $E2$/$M1$ Multipol-Mischungsverhältnis $\delta$ des $2^+_3\to2^+_1$-Übergangs von $^{142}$Sm zu erhalten. Dieses Experiment wurde bereits vom PAC am Heavy Ion Laboratory in Warschau akzeptiert.

Für $^{202}$Hg wurde ebenfalls ein Projektil-Coulomb-Anregungsexperiment am ATLAS Beschleuniger am ANL unter Verwendung des $\gamma$-Spektrometers Gammasphere durchgeführt. Gleichzeitig wurden Winkelverteilungen der $\gamma$-Emissionen gemessen, mit dem Ziel $\delta$ zu bestimmen. Es wurde eine erhöhte $B(M1;2^+_7\to2^+_1)=0.18(8) \,\mu_\mathrm{N}^2$ Stärke mit $\delta=0.06(4)$ gefunden, während ein oberes Limit für den Zerfall des benachbarten $2^+$-Zustands erhalten wurde, $B(M1;2^+_8\to2^+_1)<0.027 \,\mu_\mathrm{N}^2$. Somit wurde das erste Mal in der Massenregion um den doppelt-magischen Kern $^{208}$Pb die $F$-Spin-Mischungsstärke für $^{202}$Hg und $^{204}$Hg bestimmt mit $V_\mathrm{F-mix}=9(2)^{+3}_{-3}\,\mathrm{keV}$ bzw. $11(1)^{+4}_{-5}\,\mathrm{keV}$.

Die Ergebnisse zeigen die hohe Güte des $F$-Spins als Quantenzahl für die untersuchten Atomkerne bei $N,Z=80$ nahe doppelt-magischen Isotopen.

German

Status:

Publisher's Version

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-185816

Classification DDC:

500 Science and mathematics > 530 Physics

Divisions:

05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Experimentelle Kernstruktur und S-DALINAC

TU-Projects:

Bund/BMBF|05P18RDCIA|05P2018-ISOLDE, TP1