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First identification of the 0_1hn+_1tn2 state in _1hn3_1hn0Mg via its E0 transition [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Wolfgang Norbert Erik Schwerdtfeger

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+First Identification of the 0 State in230Mg via its E0 TransitionWolfgang Norbert Erik SchwerdtfegerMunchen 2008¨+First Identification of the 0 State in230Mg via its E0 TransitionWolfgang Norbert Erik SchwerdtfegerDissertationan der Fakultat fur Physik¨ ¨der Ludwig–Maximilians–Universitat¨Munchen¨vorgelegt vonWolfgang Norbert Erik Schwerdtfegeraus Ludwigshafen am RheinMu¨nchen, den 28.08.2008Erstgutachter: Prof. Dr. Dietrich HabsZweitgutachter: Prof. Dr. Hermann WolterTag der mundlichen Prufung: 25.11.2008¨ ¨Dedicated to my parents, my twin brother Matthiasand all my supporting friends.SummarySince the discovery of the ’Island of Inversion’ in 1975 by C. Thibault et al. [THI75],this mass region around theN =20 shell closure in Ne, Na and Mg isotopes is still theaim of many nuclear structure experiments. In this region strongly deformed 2p – 2hintruder statesoccur asground states, resulting froma promotionofa pairofneutronsacrosstheN = 20shell gapincontrast tothenormal0p–0hconfiguration. Insideandat the borderline of the so called ’Island of Inversion’ a shape coexistence of spherical+ 30,32and deformed 0 states is predicted especially in the Mg isotopes. At present only+ ++spectroscopic information on the 0 ground states is available. The B(E2,2 → 0 )1 130 2 4 32 2 4values in Mg (241(31) e fm [NIE05]) and Mg (545(78) e fm [SCH05]) were mea-sured via Coulomb excitation at REX-ISOLDE using the MINIBALL γ spectrometer.

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Published 01 January 2008
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Language English
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+First Identification of the 0 State in2
30Mg via its E0 Transition
Wolfgang Norbert Erik Schwerdtfeger
Munchen 2008¨+First Identification of the 0 State in2
30Mg via its E0 Transition
Wolfgang Norbert Erik Schwerdtfeger
Dissertation
an der Fakultat fur Physik¨ ¨
der Ludwig–Maximilians–Universitat¨
Munchen¨
vorgelegt von
Wolfgang Norbert Erik Schwerdtfeger
aus Ludwigshafen am Rhein
Mu¨nchen, den 28.08.2008Erstgutachter: Prof. Dr. Dietrich Habs
Zweitgutachter: Prof. Dr. Hermann Wolter
Tag der mundlichen Prufung: 25.11.2008¨ ¨Dedicated to my parents, my twin brother Matthias
and all my supporting friends.Summary
Since the discovery of the ’Island of Inversion’ in 1975 by C. Thibault et al. [THI75],
this mass region around theN =20 shell closure in Ne, Na and Mg isotopes is still the
aim of many nuclear structure experiments. In this region strongly deformed 2p – 2h
intruder statesoccur asground states, resulting froma promotionofa pairofneutrons
acrosstheN = 20shell gapincontrast tothenormal0p–0hconfiguration. Insideand
at the borderline of the so called ’Island of Inversion’ a shape coexistence of spherical
+ 30,32and deformed 0 states is predicted especially in the Mg isotopes. At present only
+ ++spectroscopic information on the 0 ground states is available. The B(E2,2 → 0 )1 1
30 2 4 32 2 4values in Mg (241(31) e fm [NIE05]) and Mg (545(78) e fm [SCH05]) were mea-
sured via Coulomb excitation at REX-ISOLDE using the MINIBALL γ spectrometer.
+32Thenucleus Mg(insidethe’IslandofInversion’)exhibitsahighlydeformed0 ground1
+ 30state, while the 0 ground state in Mg (outside the ’Island of Inversion’) is expected1
+to be much less deformed, whereas the 0 states escaped observation so far.2
Within a fast timing experiment by H. Mach et al. [MAC05] the known 1789 keV level
+30in Mgturnedouttobeacandidateforthe0 stateduetoitslonglifetimeof3.9(4)ns2
and the absence of a γ transition to the ground state. This triggered our search on
+ + 30 30the 0 → 0 E0 transition in Mg following the β decay of Na: β decay electrons2 1
were detected in a scintillation detector, while conversion electrons were focused onto
a cooled Si(Li) detector using a Mini-Orange and detected with high resolution, which
simultaneously suppresses the high background of β decay electrons.
30DuetothelargeQvalueoftheβ decayof Na(17.3MeV) thesuppression ofthecoin-
cident backgroundinduced byhigh-energyγ raysandsubsequently Compton-scattered
electronsturnedouttobethekeychallengeforthesuccess ofthisexperiment. Inorder
tooptimisethebackgroundsuppressionandthusthesensitivitytoweakE0transitions,
90 152offline test measurements using an Y and a Eu source were performed together
with GEANT4 simulations. Resulting from these test measurements a highly sensitive
experimental setup was designed and built, consequently minimising the amount of
high-Z material in the target chamber, reducing X-ray production. As a by-product
+ 90from test measurements the database value of the half-life of the 0 state in Zr could2
be corrected by more than 30 % to bet = 41(1) ns.1/2
+ +Finally, in a β decay experiment at the ISOLDE facility at CERN the 0 → 0 E02 1
30transition in Mg could be identified at the expected transition energy of 1788 keV
proving for the first time shape coexistence at the borderline of the ’Island of In-
version’. This identification allows to determine the electric monopole strength as
2 −3ρ (E0) = 26.2(7.5)10 , indicating a rather weak mixing between the states in two
potential minima in a simplified two-level mixing model. This result allows to extract
+the mixing amplitude between the two 0 states as a = 0.179(83) and has been sub-
mitted forpublication in Physical ReviewLetters(W.Schwerdtfeger etal. 2008). This
experimental finding represents the first case in light nuclei where an E0 back-decay
from a strongly deformed second to the first normal deformed potential minimum has
been unambiguously observed.In order to interpret our experimental findings, calculations in the Beyond Mean Field
Approach (BMFA) [ROD07] have been performed by T.R. Rodriguez and J.L. Egido
+ 30[ROD08]. Thesecalculationsidentifythe0 groundstatein Mgasmixtureofprolate1
+and oblateν 1d orbits and the excited 0 state as a strongly deformedν 1f level.3/2 7/22
Moreover, the calculated deformation parameters β = 0.16 and β = 0.59 locate this1 2
nucleus outside the ’Island of Inversion’.Zusammenfassung
Seit der Entdeckung der ’Insel der Inversion’ im Jahr 1975 durch C. Thibault et al.
[THI75] ist die Region um den Schalenabschluss N = 20 in Ne-, Na- und Mg-Isotopen
immer noch Gegenstand vieler Kernstrukturexperimente. In dieser Region treten stark
deformierte 2p – 2h Intruderzustande als Grundzustande auf, die sich im Gegensatz zu¨ ¨
normalen 0p – 0h Zusta¨nden durch eine Anregung zweier Neutronen u¨ber den Scha-
lenabschluss bei N = 20 hinweg auszeichnen. Innerhalb und an der Grenze zur ’Insel
+der Inversion’ ist eine Formkoexistenz eines sph¨arischen und eines deformierten 0
30 32Zustandes vorhergesagt, speziell in den Isotopen Mg und Mg. Aktuell sind nur In-
+ + + 30formationenuberdie0 Grundzustandeverfugbar.DieB(E2,2 →0 )Wertein Mg¨ ¨ ¨ 1 1
2 4 32 2 4(241(31) e fm [NIE05]) und Mg (545(78) e fm [SCH05]) wurden mit Coulombanre-
32gungmitREX-ISOLDEunddemMINIBALLSpektrometergemessen. Mg(innerhalb
+der’InselderInversion’) weisteinenstarkdeformierten0 Grundzustandauf,w¨ahrend
30in Mg (außerhalb der ’Insel der Inversion’) lediglich eine schwache Deformation des
+ +0 Grundzustand erwartet wird. In beiden Fa¨llen wurden die 0 Zusta¨nde bis jetzt2
noch nicht beobachtet.
Im Rahmen eines Experiments zur Messung von Lebensdauern von H. Mach et al.
30[MAC05] stellte sich das bekannte Niveau bei 1789 keV in Mg als ein Kandidat
+fur den 0 Zustand heraus auf Grund seiner langen Lebensdauer von 3.9(4) ns und¨ 2
dem Fehlen eines γ Grundzustandsu¨bergangs. Dies motivierte unsere Suche nach dem
+ + 30 30¨0 →0 E0 Ubergang in Mg nach Population imβ Zerfall aus Na. Im Experiment2 1
werdenβ Zerfallselektronen in einemSzintillationsdetektor und Konversionselektronen
nach Fokusierung mittels einer Mini-Orange, die zugleich den starken Elektronenun-
tergrund aus dem β Zerfall unterdru¨ckt, mit einem hochauflo¨senden Si(Li) Detektor
nachgewiesen.
30Auf Grund des großen Q-Wertes aus demβ-Zerfall des Na (17.3 MeV) ergab sich als
zentrale Herausforderung fu¨r den Erfolg der Messung die Notwendigkeit einer effizi-
enten Unterdruckung koinzidenten Untergrunds, verursacht durch hochenergetische γ-¨
Strahlung und daraus folgend Compton-gestreuter Elektronen. Um die Untergrundun-
¨terdruckungundsomitdieSensitivitatfurschwache E0-Ubergangezuoptimieren,wur-¨ ¨ ¨ ¨
90 152denLabormessungenmiteiner Y-undeiner Eu-QuelleundGEANT4-Simulationen
durchgefuhrt. Resultierend aus diesen Testmessungen wurde ein hochsensitiver Expe-¨
rimentaufbau realisiert, bestehend aus m¨oglichst wenig hoch-Z Materialien innerhalb
der Experimentierkammer zur Reduktion von Compton-Streuung und Erzeugung von
R¨ontgenstrahlen. Als Nebenprodukt dieser Testmessungen konnte auch der Literatur-
+ 90wertfurdieHalbwertszeit des0 Zustandsin Zrummehrals30%auft = 41(1)ns¨ 1/22
korrigiert werden.
Schließlich wurdemittelseinesβ-ZerfallexperimentsanderISOLDE-AnlageamCERN
+ + 30¨ ¨der 0 →0 E0-Ubergang in Mg bei der erwarteten Ubergangsenergie von 1788 keV2 1
identifiziert, was erstmalig Formkoexistenz an der Grenze zur ’Insel der Inversion’ be-
weist. Diese Identifikation erlaubt auch den Wert fur die elektrische Monopolstarke¨ ¨
2 −3ρ (E0) = 26.2(7.5) 10 zu bestimmen, welcher in einem einfachen Zweiniveaumo-dell eine kleine Mischung zwischen den Zustanden in den beiden Potentialminima be-¨
+schreibt. Mit diesem Resultat kann die Mischungsamplitude zwischen den beiden 0
Zustanden zu a = 0.179(83) bestimmt werden. Dieses Ergebnis wurde bei Physical¨
Review Letters (W. Schwerdtfeger 2008 et al.) zur Ver¨offentlichung eingereicht.
Um dieses experimentelle Ergebnis zu interpretieren, wurden Rechnungen im Rah-
men des Beyond Mean Field Models (BMFA) von T.R. Rodriguez und J.L. Egido
+ 30[ROD08] durchgefu¨hrt. Diese Rechnungen identifizieren den 0 Grundzustand in Mg1
+¨als Uberlagerung prolater und oblater ν 1d Orbits und den angeregten 0 Zustand3/2 2
als stark deformierte ν 1f Orbitale. Auch die errechneten Deformationen β = 0.167/2 1
und β = 0.59 bestatigen die Lage des Kerns außerhalb der ’Insel der Inversion’.¨2