Investigation of electron capture in swift C4+ (1s2s 3S) collisions with gas targets using a zero-degree Auger projectile spectroscopy apparatus built with the L45 beam line at the ‘Demokritos’ 5.5MV tandem accelerator

Abstract

This thesis focuses primarily on the investigation of the collision process:C4+(1s2s 3S) + T->C3+ (1s2s2p 4P, 2P±) + T+, in which a highly-charged (He-like) beam of C4+ ions in the long-lived metastable state (1s2s 3S energetically collide with gas targets (He, H2). In the collision an electron from the target is captured by the 2p orbital of the carbon ion (a process known as electron transfer) in the process giving rise to the production of Li-like doubly-excited states 1s2s2p 4P (a spin quartet), 1s2s2p 2P- (for short as 2P-) and 1s2s2p 2P+ (for short as 2P+), both spin doublets, as well as many other levels to be discussed later. This collision process can be readily investigated experimentally since the initial, 1s2s 3S, ionic core is metastable and therefore naturally found mixed-in with the 1s2 ground state ions as provided by accelerators. One of the main interests in the aforementioned process has to do with the question of whether the similarly configured 1s2s2p 4P and 2P± states are populated in the collision according to spin statistics, i.e. in the ratio R of their spin degeneracies of quartets to doublets. The concept of spin statistics is of fundamental interest since most collision processes are assumed to obey spin statistics. In fact, the above process was found not to obey spin statistics as first exposed in 2004 for fluorine He-like ions (F7+) leading to controversial claims and results. In this thesis, the SDCS Δσ/ΔΩ is determined for each of these 1s2s2p produced levels using the high resolution projectile Auger electron spectroscopy technique known as ZAPS, i.e. where the emitted projectile Auger electron eA is observed at the angle of 0 degrees with respect to the beam direction. Towards this purpose, a new, dedicated beam line (L45), together with a unique, state-of-the-art ZAPS experimental setup was built from scratch, at the only heavy ion research accelerator in Greece, the 5.5 MV tandem Van de Graaff accelerator (for short tandem), operated since 1972 by the INPP of the NCSR "Demokritos", in Athens. Furthermore, this new Atomic Physics initiative involved non-trivial changes to the existing hardware and mode of operation of the tandem accelerator itself, used primarily for Nuclear Physics investigations involving mostly proton beams. Experimental results utilizing the ZAPS technique, regarding relative populations of quartet and doublet states were found to be in agreement with earlier corrected measurements. At the same time, ab initio dynamical calculations have been performed by the theory group of Prof. Alain Dubois - UPMC-Sorbone and CNRS Paris, involving for the first time three active electrons. These presented results, resolve the previously existing disagreement between theory and experiment and draw attention to the limited predictive power of the frozen core approximation as regards to spin statistics in highly correlated dynamical atomic systems.

Η παρούσα διατριβή εστιάζει ως επί το πλείστον στην μελέτη της παρακάτω διεργασίας κρούσης: C4+(1s2s 3S) + T->C3+ (1s2s2p 4P, 2P±) + T+, κατά την οποία μια υψηλά φορτισμένη δέσμη ηλιοειδών ιόντων C4+ στη μακρόβια, μετασταθή κατάσταση 1s2s 3S συγκρούεται με αέριους στόχους (He, H2). Κατά τη κρούση αυτή, ένα ηλεκτρόνιο από τον στόχο δεσμεύεται στο 2p τροχιακο του ιόντος άνθρακα (ένας μηχανισμός γνωστός ως σύλληψη/ηλεκτρονίου), οδηγώντας στην παραγωγή των διπλά διεγερμένων λιθιοειδών καταστάσεων 1s2s2p 4P (quartet), 1s2s2p 2P- (εν συντομία 2P- ) και 1s2s2p 2P+ (εν συντομία 2P+), (doublet), μεταξύ άλλων που θα συζητηθούν μετέπειτα στο κείμενο. Αυτή η διεργασία κρούσης μπορεί εύκολα να διερευνηθεί πειραματικά, καθώς ο αρχικός 1s2s 3S, ιοντικός σχηματισμός είναι μετασταθής και ως εκ τούτου, συνυπάρχει σε διάφορες αναλογίες με τα 1s2 ιόντα στη θεμελιώδη κατάσταση κατά τη παραγωγή της δέσμης από τον επιταχυντή.Το βασικό ενδιαφέρον στη παραπάνω διεργασία έγκειται στο ερώτημα του αν οι καταστάσεις 4P και 2P± με παρόμοια 1s2s2p ηλεκτρονιακή διάταξη εποικίζονται κατά την 2p σύλληψη σύμφωνα με τη στατιστική των σπιν, δηλαδή κατά τον λόγο R των εκφυλισμών των spin για την quartet προς τις doublets. Η έννοια της εποίκισης σύμφωνα με τη στατιστική των σπιν είναι βασικού ενδιαφέροντος, καθώς οι περισσότεροι μηχανισμοί κατά τη διάρκεια ατομικών κρούσεων θεωρείται ότι ακολουθούν αυτή τη στατιστική. Πιο συγκεκριμένα, έχει βρεθεί ότι στη παραπάνω διεργασία δεν ακολουθεί αυτή τη στατιστική, όπως πρωτοπαρουσιάστηκε το 2004 για ηλιοειδή ιόντα φθορίου (F7+) οδηγώντας σε αμφιλεγόμενα συμπεράσματα. Σε αυτή τη διατριβή, οι διαφορικές ενεργείς διατομές Δσ/ΔΩ προσδιορίζονται για κάθε ένα από τα παραγώμενα 1s2s2p επίπεδα, χρησιμοποιώντας την υψηλής διακριτικής ικανότητας φασματογραφία Auger ηλεκτρονίων ιόντων δέσμης γνωστή ως ZAPS, όπου το παραγόμενο Auger ηλεκτρόνιο eA μετράται στις 0 μοίρες σε σχέση με τη κατεύθυνση της δέσμης. Προς αυτό το σκοπό, μια νέα πειραματική γραμμή L45, μαζί με μια μοναδική, υπερσύγχρονη πειραματική εγκατάσταση δημιουργήθηκε από το μηδέν, στον μοναδικό ερευνητικό επιταχυντή βαρέων ιόντων στην Ελλάδα, τον 5.5 MV tandem Van ded Graaff επιταχυντή (για συντομία tandem), που λειτουργεί από το 1972 στο Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του Εθνικού Κέντρου Έρευνας Φυσικών Επιστημών "ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ", στην Αθήνα. Επιπλέον, αυτή η νέα πρωτοβουλία ατομικής φυσικής περιλαμβάνει ουσιώδεις αλλαγές στο υπάρχον υλικό και τρόπο λειτουργίας του επιταχυντή tandem, που χρησιμοποιείται κυρίως για πειράματα πυρηνικής φυσικής με τη πλειονότητα των πειραμάτων να αφορά τη χρήση δεσμών πρωτονίων. Τα πειραματικά αποτελέσματα, με τη χρήση της μεθόδου ZAPS, όσων αφορά τους σχετικούς πληθυσμούς των quartet και doublet καταστάσεων, είναι σε συμφωνία με παλιότερες, διορθωμένες μετρήσεις. Ταυτόχρονα, έγιναν υπολογισμοί από πρώτες αρχές από την ομάδα θεωρητικών του καθ. Alain Dubois - UPMC-Sorbone και CNRS Paris, οι οποίοι περιλαμβάνουν για πρώτη φορά 3 ενεργά ηλεκτρόνια. Αυτά τα παρουσιασμένα αποτελέσματα, επιλύουν την προϋπάρχουσα διαφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος και εφιστούν την προσοχή στην περιορισμένη προγνωστική ισχύ της frozen core προσέγγισης όσον αφορά την σπιν στατιστική σε ιδιαιτέρως συσχετισμένα δυναμικά ατομικά συστήματα.