The (p,3p) two-proton removal from neutron-rich nuclei and the development of the STRASSE tracker

The knockout of nucleons from nuclei is a powerful tool to investigate nuclear structure. In particular, the knockout of nucleons at energies above 200 MeV/nucleon from a hydrogen target, so called quasi free scattering, is believed to be a clean probe for nuclear structure and has led to several recent experimental programs and theoretical developments. In this work, we are interested in reactions that lead to the removal of two nucleons. Indeed, it was observed in several occurrences that different final states in a nucleus are populated when produced from one nucleon knockout (p,2p) or from two nucleon knockout (p,3p). The understanding of the latter could provide a new tool for nuclear spectroscopy.

In this work the analysis of two experimental campaigns conducted at the RIBF in RIKEN, Japan, is presented. The scattered-proton angular distributions from several neutron-rich medium-mass nuclei were analysed. The radioactive nuclei were impinging onto a 100 mm long cryogenic liquid hydrogen target. The protons emitted from the reaction were measured with the MINOS time-projection chamber surrounding the target. For the first time, it gave access to angular correlations of the three protons in the final state with high angular coverage. The obtained proton distributions have been benchmarked against kinematical models assuming three different reaction mechanisms. The (p,3p) reaction happens sequentially. Twenty-one inclusive one-proton and two-proton knockout reaction cross sections of 68-70Co, 70Ni, 74Ni, 74-75Cu, 75-76Zn, 80-82Ga, 89-90Se, 97Rb, 100-102Sr, 102-103Y and 112Mo are presented as well.

To improve the vertex resolution and enable missing-mass spectroscopy, a new setup called STRASSE is being developed. It is a silicon tracker array, which is located in a hexagonal shape in two layers around a liquid H2 target. The development started with a demonstrator setup PFAD, which consists of one third of STRASSE. An experiment with PFAD 10He(p,pα)"6n" at RIBF, RIKEN is already approved. A part of the DAQ is required to operate in vacuum, which has been validated in this work using a test-setup. A major part of the DAQ is adapted from the CBM tracker electronics, which were adapted to the PFAD/STRASSE requirements. The electronic noise was also optimised and a γ-spectrum of 241Am was taken. For PFAD, a cooling system has been designed, and the full electronic chain (DAQ) was set up and optimised.

Der Ausschlag von Nukleonen aus Kernen ist ein mächtiges Werkzeug zur Untersuchung der Kernstruktur. Insbesondere der Ausschlag von Nukleonen bei Energien oberhalb von 200 MeV/Nukleon aus einem Wasserstoff-Target, die so genannte quasi-freie Streuung, gilt als saubere Untersuchungsmethode für die Kernstruktur und hat zu mehreren aktuellen experimentellen Programmen und theoretischen Entwicklungen geführt. In dieser Arbeit sind wir an Reaktionen interessiert, die zur Entfernung von zwei Nukleonen führen. In der Tat wurde in mehreren Fällen beobachtet, dass unterschiedliche Endzustände in einem Kern erzeugt werden, wenn sie aus einem Nukleonenknockout (p,2p) oder aus zwei Nukleonenknockouts (p,3p) entstehen. Das Verständnis des letzteren könnte ein neues Werkzeug für die Kernspektroskopie darstellen.

Die Analyse von zwei experimentellen Kampagnen, die am RIBF in RIKEN, Japan, durchgeführt wurden, wird hier vorgestellt. Es wurde die Winkelverteilung der gestreuten Protonen von mehreren neutronenreichen Kernen mittlerer Masse analysiert. Die radioaktiven Kerne prallten auf ein 100 mm langes kryogenes Flüssigwasserstoff-Target. Die aus der Reaktion austretenden Protonen wurden mit der MINOS-Zeitprojektionskammer, die das Target umgibt, vermessen, wodurch erstmals die Winkelkorrelationen der drei Protonen im Endzustand zugänglich wurden. Die erhaltenen Protonenverteilungen wurden mit kinematischen Modellen verglichen, die drei verschiedene Reaktionsmechanismen annehmen. Die (p,3p) Reaktion verläuft hier sequentiell. Einundzwanzig inklusive Ein-Proton- und Zwei-Proton-Knockout-Reaktionsquerschnitte von 68-70Co, 70Ni, 74Ni, 74-75Cu, 75-76Zn, 80-82Ga, 89-90Se, 97Rb, 100-102Sr, 102-103Y und 112Mo werden ebenfalls präsentiert.

Um die Scheitelpunktauflösung zu verbessern und Missing-Mass-Spektroskopie zu ermöglichen, wird ein neuer Aufbau namens STRASSE entwickelt. Es handelt sich um ein Silizium-Tracker-Array, das in hexagonaler Form in zwei Schichten um ein flüssiges H2-Target angeordnet ist. Die Entwicklung begann mit einem Demonstratoraufbau PFAD, der aus einem Drittel der STRASSE besteht. Er besteht aus zwei Schichten auf jeweils zwei gegenüberliegenden Seiten. Ein Experiment 10He(p,pα)"6n" am RIBF, RIKEN ist bereits genehmigt. Ein Teil der Datenaufnahme (DAQ) muss für den Betrieb im Vakuum sein, was in dieser Arbeit anhand eines Testaufbaus validiert wurde. Ein großer Teil der DAQ ist von der CBM-Tracker-Elektronik übernommen, die an die PFAD/STRASSE-Anforderungen angepasst wurde. Das elektronische Rauschen wurde ebenfalls minimiert und ein γ-Spektrum des 241Am aufgenommen. Für PFAD wurde ein Kühlsystem entworfen (und validiert), und das gesamte elektronische Datenerfassungssystem wurde eingerichtet und optimiert.