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Exploring the island of inversion with the d(_1hn3_1hn0Mg, p)_1hn3_1hn1Mg reaction [Elektronische Ressource] / Vinzenz Bildstein

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Exploring the Island of Inversion30 31T with the d( Mg, p) Mg Reaction-REXDissertationvonVinzenzBildsteinLehrstuhl E12 für ExperimentalphysikTechnische Universität MünchenTechnische Universität MünchenPhysik Department E12ExploringtheIslandofInversion30 31withthed( Mg,p) MgReactionVinzenz BildsteinVollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik der Technischen UniversitätMünchen zur Erlangung des akademischen Grades einesDoktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)genehmigten Dissertation.Vorsitzende: Univ. Prof. Dr. N. BrambillaPrüfer der Dissertation:1.Univ. Prof. Dr. R. Krücken2. Dr. P. FierlingerDie Dissertation wurde am 08.11.2010 bei der Technischen Universität Müncheneingereicht und durch die Fakultät für Physik am 07.12.2010 angenommen.Contents1 Introduction 11.1 Neutron Rich Magnesium Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 TransferReactions 72.1 Theoretical Description of Transfer Reactions . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.1 DWBA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Transfer Reactions in Inverse Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3 The Nilsson Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 ExperimentalSetup 133.1 The ISOLDE Facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2 The REX ISOLDE Post Accelerator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3 The MINIBALL Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Published 01 January 2010
Reads 16
Language English
Document size 19 MB

Exploring the Island of Inversion
30 31T with the d( Mg, p) Mg Reaction-REX
Dissertation
von
VinzenzBildstein
Lehrstuhl E12 für Experimentalphysik
Technische Universität MünchenTechnische Universität München
Physik Department E12
ExploringtheIslandofInversion
30 31withthed( Mg,p) MgReaction
Vinzenz Bildstein
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik der Technischen Universität
München zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzende: Univ. Prof. Dr. N. Brambilla
Prüfer der Dissertation:
1.Univ. Prof. Dr. R. Krücken
2. Dr. P. Fierlinger
Die Dissertation wurde am 08.11.2010 bei der Technischen Universität München
eingereicht und durch die Fakultät für Physik am 07.12.2010 angenommen.Contents
1 Introduction 1
1.1 Neutron Rich Magnesium Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 TransferReactions 7
2.1 Theoretical Description of Transfer Reactions . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 DWBA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Transfer Reactions in Inverse Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 The Nilsson Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 ExperimentalSetup 13
3.1 The ISOLDE Facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 The REX ISOLDE Post Accelerator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 The MINIBALL Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4 T REX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.4.1 Detector Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.4.2 Mechanical Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.3 Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5 Bragg Chamber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 DataAnalysis 35
4.1 Unpacking and Event Building . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.1 Calibration and Efficiency of MINIBALL . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.2 Energy Calibration of ΔE Barrel Detectors . . . . . . . . . . . . . 37
4.2.3 Calibration of E Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Rest
4.2.4 Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Kinematic Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.1 Target Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.2 Addback of MINIBALL Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.3 Position of the . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.4 Particle Identification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.5 Reconstruction of Energy Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.6 of Ejectiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4 Reaction Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4.1 Identifying the Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4.2 Differential Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4.3 Systematic Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5 Results 49iv Contents
225.1 Ne Test Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.1 Levels,γ rays, and Excitation Energies . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.2 Elastic Scattering Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.3 Transfer to the 1017keV and 3221keV States . . . . . . . . . . . 54
5.1.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
30 315.2 d( Mg, p) Mg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.1 Beam Composition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.2 Levels andγ rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2.3 Elastic Scattering Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2.4 Transfer to the 221keV State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2.5 Ground State and 50.5keV State . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6 SummaryandOutlook 71
A MINIBALLEfficiency 75
B NewBeamDiagnosticsandTargetMounting 79
B.1 Readout of Beam Diagnostics Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
B.2 Target Ladders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
C DifferentSetupOptions 83
C.1 Hexagonal Setup without Overlaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
C.2 with . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
C.3 Quadratic Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
C.4 Other Setups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
C.5 Comparison of Setups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
D Simulation 89
E ChangesandImprovementsofT REX 91
E.1 Coulex Experiments with T REX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
ListofFigures 96
ListofTables 97
Bibliography 102
Acknowledgments 103Abstract
30 31In this thesis the results of a d( Mg, p) Mg experiment at REX ISOLDE are
31presented. Mg is located directly on the border of the so called ‘‘Island of
32Inversion’’,aregionofthenuclearchartaround Mgwheredeformedintruderstates
of the fp shell form the ground states of the nuclei instead of the normal spherical
31states of the sd shell. A recent experiment has shown the ground state of Mg to
+be a 1/2 state and indicates more than 90% intruder configuration. The question
31whether the low lying excited states of Mg are deformed intruder states as well or
rather spherical states from the sd shell, indicating shape coexistence, is still open.
30 31The d( Mg, p) Mg reaction is thus a good tool to gain more insight into the nature
of the Island of Inversion. In the framework of this thesis the angular distribution of
protons was measured for the second excited state at 221keV in coincidence with
de excitationγ rays. The angular distribution was compared to DWBA calculations
for different transferred orbital momenta, identifying the state for the first time as an
l = 1 state.
The experiment was performed with the new charged particle detector setup
T REX.Thesetupisoptimizedfortransferreactionswithradioactivebeamsininverse
kinematics. T REX was developed, built, installed, and used for this first one neutron
transfer experiment in the context of this thesis. The T REX setup consists ofΔE -
E telescopesmadeoutofpositionsensitivesilicondetectorsthatcoveralmost4πRest
ofthesolidangleandcanbecombinedwiththeMINIBALLγ raydetectorarray.Ithas
alargesolidangleforthedetectionandidentificationofthelightrecoilsfromtransfer
reactions.T REXallowsincombinationwiththeMINIBALLGermaniumdetectorarray
the tagging of the excited states by their characteristic γ rays. The combination of
T REX and MINIBALL achieves an optimum resolution of excitation energies.
Awholeseriesofexperimentswiththenewdetectorarrayhasbeenperformedat
REX ISOLDE, using one and two neutron transfer reactions and beams ranging from
11 78Be to Zn.
The detector concept and experimental details are presented together with the
newly developed analysis framework. The extractedγ spectra, angular distributions,
and transfer cross section scaling factors allow a deeper insight to the structure of
31Mg.Zusammenfassung
30 31In dieser Arbeit werden die Ergebnisse eines d( Mg, p) Mg Experiments bei
31REX ISOLDE vorgestellt. Mg liegt auf der Grenze der sogenannten ‘‘Insel der In
32version’’, einer Region der Nuklidkarte um Mg, in der deformierte Intruderzustände
aus der fp Schale die Grundzustände bilden, anstelle der normalen, sphärischen
Zustände der sd Schale. Es wurde in einem Experiment jüngst gezeigt, daß der
31 +Grundzustandvon Mgein1/2 Zustandist,undderAnteilvonIntruderkonfiguratio
nenanderWellenfunktionmehrals90%beträgt.DieFrage,obdieniedrigliegenden
31angeregten Zustände von Mg ebenfalls deformierte Intruderzustände sind oder
30doch sphärische Zustände der sd Schale, ist noch offen. Die Mg Reaktion ist ein
gutes Werkzeug, um mehr Informationen über die Natur der Insel der Inversion zu
erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die gemessene Winkelverteilung von Pro
31toneninKoinzidenzmitγ StrahlenausderAbregungdes221keVZustandesin Mg
mit DWBA Rechnungen für verschiedene transferierte Bahndrehimpulse verglichen.
Daruch wurde der Zustand eindeutig alsl = 1 Zustand identifiziert.
Das Experiment wurde mit dem neuen T REX Aufbau zum Nachweis von gelade
nen Teilchen mit positionsauflösenden Silizium ΔE - E Teleskopen durchgeführt.Rest
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde T REX für Transferexperimente mit radioakti
vem Strahl in inverser Kinematik bei REX ISOLDE entwickelt, aufgebaut und speziell
fürdenEinsatzzusammenmitdemMINIBALLGermanium Spektrometeroptimiert.T
REXdeckteinengroßenRaumwinkelvonfast4π abunderlaubtdieIdentifikationder
leichtenRückstoßkernevonTransferreaktionen.DieKombinationvonT REXmitdem
MINIBALL Germanium Spektrometer ermöglicht es, in Transferreaktionen erzeugte
angeregte Zustände anhand ihrer charakteristischen γ Strahlung zu identifizieren,
und erreicht eine optimale Auflösung der Anregungsenergie.
DasDetektorkonzeptundDetailsdesexperimentellenAufbauswerdenzusammen
mit der neu entwickelten Analysesoftware vorgestellt. Die extrahierten γ Spektren,
Winkelverteilungen und Skalierungsfaktoren für die Transferwirkungsquerschnitte er
31lauben einen tieferen Einblick in die Struktur von Mg.