Probing nuclear density tails with antiprotons at PUMA: Detection and method

Zacarias, Sabrina (2022)
Probing nuclear density tails with antiprotons at PUMA: Detection and method.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022851
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type:

Ph.D. Thesis

Type of entry:

Primary publication

Title:

Probing nuclear density tails with antiprotons at PUMA: Detection and method

Language:

English

Referees:

Obertelli, Prof. Dr. Alexandre ; Nörtershäuser, Prof. Dr. Wilfried

Date:

2022

Place of Publication:

Darmstadt

Collation:

xxi, 114 Seiten

Date of oral examination:

26 October 2022

DOI:

10.26083/tuprints-00022851

Abstract:

Low-energy antiprotons can be used as a probe to study the proton and neutron content of the nuclear density tail. Towards the neutron drip line, this region is characterized by the development of neutron skins and the emergence of halos.

As of today, there is no facility that can provide a low-energy antiproton-radioactive ion collider. At CERN (Switzerland), however, the existence of both a Radioactive Ion Beam facility (ISOLDE) and a facility to produce antiprotons (the Antimatter Factory) provides a feasible ground to generate these interactions.

The antiProton Unstable Matter Annihilation experiment (PUMA) aims at transporting 10e9 antiprotons from the Antimatter Factory to ISOLDE to study the nuclear density tail by measuring the neutron-to-proton annihilation ratio of both stable and short-lived nuclei.

In this work, the development of the Time Projection Chamber (TPC), main detection component of the charged annihilation products, is presented. As the detector aims at being inserted into the bore of the 4 T solenoid of PUMA, a compact and low-maintenance device is required. The geometrical design was based on Monte-Carlo simulations optimized for detection efficiency and charge identification. The electrical design was also optimized to provide an homogeneous electric field in the drift region of the detector. Finally, the mechanical design was performed.

The sensitivity of the method used at PUMA is investigated with an atomic cascade code applied to antiprotonic tin and calcium atoms to study the impact of the unknown capture states. Benchmarks of the code with X-ray data provide an initial estimation of the capture parameters and the cascade calculations show that 70% of the annihilations occur at the circular states (n, l = n−1), validating the PUMA concept. The isotopic sensitivity of the annihilation width ratio obtained from the measurement is quantified. Additional theoretical developments that describe the full capture and cascade are needed to account for the impact of low-l annihilations which are here observed to be non-negligible.

Alternative Abstract:

Alternative Abstract

Language

Niederenergetische Antiprotonen können als Sonde verwendet werden, um den Protonen- und Neutronengehalt im Ausläufer der Kerndichteverteilung zu untersuchen. In Richtung der Neutronenabbruchkante ist dieser Bereich durch das Ausbilden von Neutronenhäuten und das Auftreten von Halos gekennzeichnet.

Bis heute gibt es keine Anlage, die eine Kollision von niederenergetischen Antiprotonen mit radioaktiven Kernen ermöglicht. Am CERN (Schweiz) gibt es jedoch sowohl eine Anlage zur Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen (ISOLDE) als auch eine Anlage für die Produktion von Antiprotonen (die Antimatter Factory), die die Voraussetzungen für die Erzeugung dieser Wechselwirkungen schaffen.

Das AntiProton Unstable Matter Annihilation Experiment (PUMA) zielt darauf ab, 10e9 Antiprotonen von der Antimatter Factory zu ISOLDE zu transportieren, um den Ausläufer der Kerndichteverteilung zu untersuchen, indem das Neutronen-zu-Protonen-Annihilationsverhältnis von sowohl stabilen als auch kurzlebigen Kernen gemessen wird.

In dieser Arbeit wird die Entwicklung der Zeitprojektionskammer (Time Projection Chamber, TPC), der Hauptdetektionskomponente der geladenen Annihilationsprodukte, vorgestellt. Da der Detektor in die Öffnung des 4 T Magneten von PUMA eingesetzt werden soll, ist ein kompaktes und wartungsarmes Gerät erforderlich. Das geometrische Design basierte auf Monte-Carlo-Simulationen, die für die Detektionseffizienz und die Ladungsidentifikation optimiert wurden. Das elektrische Design wurde ebenfalls optimiert, um ein homogenes elektrisches Feld in der Driftregion des Detektors zu erzeugen. Abschließend wurde das mechanische Design entwickelt.

Die Empfindlichkeit der bei PUMA verwendeten Methode wird mit einem Atomkaskadencode untersucht, der auf antiprotonische Zinn- und Kalziumatome angewendet wird, um die Auswirkungen der unbekannten Einfangzustände zu untersuchen. Der Vergleich und die Validierung mit Röntgendaten liefern eine erste Schätzung der Einfangparameter, und die Kaskadenberechnungen zeigen, dass 70% der Annihilationen in den zirkulären Zuständen (n, l = n − 1) stattfinden, was das PUMA-Konzept bestätigt. Die Empfindlichkeit in Abhängigkeit der Isotopen des durch die Messung erhaltenen Annihilationsbreitenverhältnisses wird quantifiziert. Zusätzliche theoretische Entwicklungen, die den vollständigen Einfang und die Kaskade beschreiben, sind erforderlich, um die Auswirkungen von Annihilationen mit Antiprotonen, die einen niedrigem Drehimpuls besitzen, zu berücksichtigen. Diese haben sich hier als nicht vernachlässigbar erwiesen.

German

Status:

Publisher's Version

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-228514

Classification DDC:

500 Science and mathematics > 530 Physics

Divisions:

05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik

Date Deposited:

12 Dec 2022 13:09

Last Modified: