Nuclear structure of the neutron-rich nuclei 140Ba and 180Hf

Abstract

The study of neutron-rich nuclei is one of the most active fields in contemporary nuclear physics. Special interest is focusing on even-even nuclides far from closed shells, some of which are characterized by a deformed shape. This deformation arises from the reordering of the single-particle states in equilibrium, which can eventually lead to new closed shells, different from those predicted by the shell model. The development of large multi-detector arrays along with the availability of radioactive beams produced via fragmentation or spallation reactions has greatly increased our knowledge for nuclei located in the neutron-rich area of the isotopic chart. High-effιcient γ-arrays enhance the amount of information extracted from a nucleus resulting in more precise measurements in a significantly reduced laboratory time. Furthermore, the development of radioactive beam facilities help in probing exotic isotopes in the neutron-rich side of the valley of stability. Instead of radioactive beams, there is a more "traditional" way of populating excited states of a neutron-rich nucleus, especially the low-lying ones. Multi-nucleon transfer reactions are a widely used tool in nuclear structure, and it has been proven successful in populating excited states in neutron-rich isotopes. In this thesis, the two neutron-rich nuclei 180Hf and 140Ba have been studied experimentally. Two PAC-approved experiments were carried out at the 9MV Tandem accelerator laboratory of IFIN-HH, Bucharest, Romania. Both nuclei were formed using multi-nucleon transfer reactions, and the subsequent γ-decay was detected by the ROSPHERE array. The stable neutron-rich nucleus 180Hf is located in a region where both protons and neutrons typically occupy high Ω orbitals located near the Fermi surface. This results in the presence of high K-isomers, which along with the associated rotational bands can provide important information about the underlying single-particle orbitals. In this work, the nucleus 180Hf was populated using the proton pick-up reaction 181Ta(11B,12C)180Hf for the first time, aiming at the observance of possible new K-isomers. An additional aim of the experiment was the measurement of unknown values of spins-parities of the populated levels, as well as the mixing ratios of the γ-transitions depopulating them. Mixing ratio measurements are highly important, as this quantity expresses the degree of partitioning of the multipole components of a mixed transition and consequently serve as a sensitive test for nuclear model calculations. In this work, measurements for spins-parities for the nucleus 180Hf are presented for the ground-state band up to the 1084 keV state, the side-band states of 1370 keV(band 6), 1374 keV (band 2) and the non-band levels of 1821 keV and 1608 keV. Especially for the 1374 keV level, the value measured in this work favors a spin-parity assignment of 4-, which settles the disagreement in the bibliography between the spin-parity values of 3- and 4-. Furthermore, the mixing ratio value for the transition 1374 -> 309 keV, presented in this work, agrees with the previously reported measurement but is more precise by about 60%. In addition, mixing ratio values for the transitions 1370 -> 309, 1821 -> 1200 keV and 1608 -> 1200 keV are reported for the first time. For the cases where the statistics is not sufficient, all possible values for spins-parities and mixing ratios are presented. The second nucleus studied in this work is the neutron-rich 140Ba. There are strong hints that this nucleus is characterized by enhanced octupole correlations. Such effects have been previously observed in the Ra and Ba isotopic chains, leading to pear-shaped nuclei. The two neighboring neutron-rich isotopes 144Ba and 146Ba have been studied recently using the Coulomb excitation technique along with radioactive beams, yielding a high value for the corresponding reduced transition probabilities, higher than any theoretical calculation. Furthermore, the spectroscopic information regarding the nucleus 140Ba is still poor, with only the lifetime of the 2^+_1 state measured. The specific nucleus was populated using the 2n-transfer reaction 138Ba(18O,16O)140Ba. Despite the high technical diffιculties, e.g. in target preparation, the ground-state band states up to the 8+ level have been populated. The degree of population was sufficient to extract lower-limits for the lifetimes of the ground-state band. In addition, the relative cross sections of the reaction 138Ba(18O,16O)140Ba with respect to the fusion-evaporation reaction 138Ba(18O,4n)152Gd and to the total inelastic channel have been measured. By using theoretical calculations for the reaction 138Ba(18O,4n)152Gd, it was possible to extract the unknown cross sections of the 2n-transfer reaction 138Ba(18O,16O)140Ba in the 61-67 MeV beam energy range, near the Coulomb barrier. Such measurements are important for nuclear structure, as well as for the understanding of the mechanisms that such reactions proceed. Even though the 3- state (whose lifetime can lead to the evaluation of the degree of octupole correlations) was not populated, the results presented in this work are sufficient to guide future studies of 140Ba to the right direction, either regarding the estimation of octupole correlations or the choice of an alternative experimental method (radioactive beams with inverse kinematics).

Η μελέτη των πλούσιων σε νετρόνια πυρήνων αποτελεί ένα από τα πιο ενεργά πεδία έρευνας της σύγχρονης πυρηνικής φυσικής. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι άρτιοι-άρτιοι πυρήνες, μακριά από κλειστούς φλοιούς, κάποιοι από τους οποίους χαρακτηρίζονται από παραμορφωμένο σχήμα. Το φαινόμενο αυτό της παραμόρφωσης, δηλαδή της απόκλισης από το σφαιρικό σχήμα, μπορεί να εξηγηθεί μέσω της αναδιάταξης των μονοσωματιδιακών καταστάσεων, που μπορεί να οδηγήσει σε νέους κλειστούς φλοιούς, που δεν προβλέπονται από το ακραίο πρότυπο των φλοιών. Η ανάπτυξη νέων ανιχνευτικών διατάξεων, ικανών να απαρτίζονται από μεγάλο αριθμό ανιχνευτών, παράλληλα με την ανάπτυξη των ραδιενεργών δεσμών έχουν σημαντικά συνεισφέρει στη γνώση της δομής των πλούσιων σε νετρόνια πυρήνων. Ανιχνευτικές διατάξεις υψηλής απόδοσης στη γ-φασματοσκοπία έχουν βελτιώσει σημαντικά το βαθμό της πληροφορίας που μπορούμε να λάβουμε από ένα πυρήνα, καθώς πλέον μπορούν να πραγματοποιηθούν μετρήσεις μεγαλύτερης ακρίβειας σε σημαντικά μικρότερο εργαστηριακό χρόνο. Οι πλούσιοι σε νετρόνια πυρήνες μπορούν να διεγερθούν με αντιδράσεις μεταφοράς νουκλεονίων, οι οποίες αποτελούν ένα δημοφιλές εργαλείο για μελέτες πυρηνικής δομής και η χρήση του έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα επιτυχής. Σε αυτή τη διατριβή, μελετήθηκαν πειραματικά οι δύο πλούσιοι σε νετρόνια πυρήνες 180Hf και 140Ba. Πραγματοποιήθηκαν δύο πειράματα κατόπιν υποβολής επίσημης ερευνητικής πρότασης και αξιολόγησης από Διεθνή Επιτροπή (PAC) στο εργαστήριο επιταχυντή Tandem του IFIN-HH, στο Βουκουρέστι της Ρουμανίας. Και οι δύο πυρήνες σχηματίστηκαν έπειτα από αντιδράσεις μεταφοράς νουκλεονίων, ενώ η εκπομπή της γ-ακτινοβολίας που ακολούθησε την αποδιέγερσή τους, ανιχνεύτηκε από τη συστοιχία ανιχνευτών ROSPHERE. Ο σταθερός πυρήνας 180Hf βρίσκεται σε μια περιοχή μαζών του ισοτοπικού χάρτη, όπου τα πρωτόνια και τα νετρόνιά του χαρακτηρίζονται από τροχιακά με υψηλές τιμές της Ω στροφορμής σε ελλειψοειδείς πυρήνες, κοντά στην ενέργεια Fermi. Αυτό αποτελεί αιτία για την παρουσία ισομερών καταστάσεων με υψηλή προβολή στροφορμής K, η οποία μαζί με τις αντίστοιχες περιστροφικές ζώνες μπορούν να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την διάταξη των μονοσωματιδιακών καταστάσεών του. Στην παρούσα εργασία, ο πυρήνας 180Hf σχηματίστηκε μέσω της αντίδρασης 181Ta(11B,12C)180Hf για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία, προκειμένου να διερευνηθεί αν υπάρχουν νέα υποψήφια K-ισομερή. Επιπλέον στόχος ήταν η μέτρηση των άγνωστων τιμών σπιν-ομοτιμίας καταστάσεων και του λόγου ανάμειξης διαφόρων μεταπτώσεων. Οι μετρήσεις των λόγων ανάμειξης είναι ιδιαίτερα σημαντικές, καθώς μπορούν να καθορίσουν το βαθμό επιμερισμού της πολυπολικότητας των μεικτών ηλεκτρομαγνητικών μεταβάσεων και συνεπώς είναι απαραίτητες για τη δοκιμή διάφορων θεωρητικών μοντέλων. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για σπιν-ομοτιμίες της ζώνης διέγερσης της βασικής κατάστασης (g.s. band) έως την ενεργειακή στάθμη των 1084 keV, των καταστάσεων 1370 keV (ζώνη 6), 1374 keV (ζώνη 2) και των καταστάσεων 1821 και 1608 keV, οι οποίες δεν ανήκουν σε κάποια συγκεκριμένη ζώνη διέγερσης μέχρι σήμερα. Ειδικότερα για την ενεργειακή στάθμη των 1374 keV, η τιμή που βρέθηκε σε αυτή την εργασία ευνοεί την τιμή σπιν/ομοτιμίας 4–. Αυτή η μέτρηση διευθετεί τη διαφωνία που βρίσκεται στη βιβλιογραφία μεταξύ των τιμών σπιν-ομοτιμίας 3– και 4–. Αντίστοιχα, για τη μετάβαση 1374 -> 309 keV, ο λόγος ανάμειξης βρέθηκε να συμφωνεί με την προηγούμενη τιμή της βιβλιογραφίας, με μια τιμή ακριβέστερη κατά περίπου 60%. Επιπροσθέτως, μετρήθηκαν λόγοι ανάμειξης των μεταβάσεων 1370 -> 309, 1608 -> 1200 και 1821 -> 1200 keV. Για μετρήσεις όπου η στατιστική δεν επαρκεί για μια μόνο τιμή, παρουσιάζονται όλες οι πιθανές τιμές σπιν-ομοτιμίας και λόγου ανάμειξης. Ο δεύτερος πυρήνας που μελετήθηκε είναι ο πυρήνας 140Ba. Υπάρχουν σοβαρές ενδείξεις ότι ο συγκεκριμένος πυρήνας χαρακτηρίζεται από υψηλές οκταπολικές αλληλοσυσχετίσεις. Το φαινόμενο των υψηλών οκταπολικών αλληλοσυσχετίσεων έχειπαρατηρηθεί στις ισοτοπικές αλυσίδες του Ραδίου και του Βαρίου, και οι αντίστοιχοι πυρήνες φαίνεται χαρακτηρίζονται από ένα ''αχλαδοειδές" σχήμα (pear-shaped nuclei). Δύο πρόσφατες μετρήσεις σε γειτονικά ισότοπα τού 140Ba (144,146Ba) εμφάνισαν τιμές των αντίστοιχων ανηγμένων πλατών μετάβασης που υπερβαίνουν κάθε θεωρητική πρόβλεψη. Επιπλέον, τα φασματοσκοπικά δεδομένα του 140Ba είναι μέχρι σήμερα εξαιρετικά ελλιπή, καθώς μόνο ο χρόνος ημιζωής της στάθμης 2^+_1 είναι γνωστός. Ο πυρήνας σχηματίστηκε μέσω της αντίδρασης μεταφοράς δύο νετρονίων 138Ba(18O,16O)140Ba. Παρά τις υψηλές τεχνικές δυσκολίες, όπως πχ. την κατασκευή του στόχου, τροφοδοτήθηκαν οι ενεργειακές στάθμες στη μπάντα της βασικής κατάστασης μέχρι την κατάσταση 8+. Ο βαθμός της τροφοδοσίας ήταν ικανός, ώστε να εξαχθούν κάτω όρια στις τιμές των χρόνων ημιζωής των υπολοίπων καταστάσεων της ζώνης διέγερσης της βασικής κατάστασης. Επίσης, καθώς η συγκεκριμένη αντίδραση χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για τη δημιουργία του 140Ba μετρήθηκαν οι σχετικές ενεργοί διατομές των αντιδράσεων 138Ba(18O,16O)140Ba ως προς την αντίδραση 138Ba(18O,4n)152Gd και ως προς το κανάλι ανελαστικής σκέδασης. Χρησιμοποιώντας θεωρητικούς υπολογισμούς για την αντίδραση 138Ba(18O,4n)152Gd, κατέστη δυνατή η εξαγωγή των, άγνωστων μέχρι σήμερα, ενεργών διατομών της αντίδρασης μεταφοράς 2 νετρονίων 138Ba(18O, 16O)140Ba, για ενέργειες δέσμης 61-67 MeV, κοντά στο φράγμα Coulomb. Μετρήσεις των ενεργών διατομών της συγκεκριμένης αντίδρασης είναι σημαντικές τόσο για λόγους πυρηνικής δομής, όσο και για τη μελέτη του μηχανισμού που πραγματοποιούνται γενικότερα οι αντιδράσεις μεταφοράς δύο νετρονίων. Παρόλο που η κατάσταση 3– (η οποία μπορεί να καθορίσει το βαθμό των οκταπολικών αλληλοσυσχετίσεων) δεν τροφοδοτήθηκε επαρκώς στο συγκεκριμένο πείραμα, πιθανότατα λόγω πολύ χαμηλής ενεργού διατομής στη συγκεκριμένη αντίδραση, τα συμπεράσματα που εξάγονται είναι επαρκώς ισχυρά για να καθοδηγήσουν μελλοντικέςμελέτες για τον πυρήνα 140Ba, τόσο σε ό,τι αφορά το ερώτημα σχετικά με την ισχύ των οκταπολικών αλληλοσυσχετίσεων στα ισότοπα του βαρίου, όσο και την επιλογή μελέτης του μέσω εναλλακτικών τεχνικών, που φαίνεται ότι απαιτεί ειδικές και δύσκολες να επιτευχθούν πειραματικές συνθήκες (ραδιενεργές δέσμες σε αντίστροφη κινηματική).