Structural behavior of 157,158,159Dy in the I=30−50ħ spin regime and the high-spin domain of 158Er up to and above band termination

Abstract

The question of how do the properties of nuclei evolve with increasing excitation energy and angular momentum is one of the current frontiers in nuclear physics. State of the art γ-ray detector systems have been used to investigate this question, in a series of rare-earth nuclei with mass A∼158. Significant extensions to the high-spin excitation spectrum of the N=91, 92, 93 isotopes 157,158,159Dy have been achieved using the high-efficiency γ-ray spectrometers EUROBALL and GAMMASPHERE. These nuclei were populated via weak 3n or αxn exit channels in fusion–evaporation reactions. A total of 84 (99) new transitions, including 2 new bands, were added to the level schemes of 157,158,159Dy. The high-spin behavior and band crossing systematics of the Dy isotopes and of the neighboring N=91, 92, and 93 isotones are discussed in terms of rotational alignments and shape transitions. Cranked Nilsson-Strutinsky calculations, without pairing, have been performed for detailed comparisons with the very high-spin states observed in 157Dy. Results on 157,158,159Dy have been published in Phys. Rev. C. Moreover, the angular-momentum induced transition from a deformed state of collective rotation to a non-collective configuration has been studied. In 158Er this transition manifests itself as favored band termination near I≈45ħ. The feeding of these band terminating states has been investigated for the first time using the GAMMASPHERE spectrometer. A large number of weakly populated states, lying at high excitation energy, that decay into these special states have been discovered. Cranked Nilsson-Strutinsky calculations suggest that these states arise from weakly collective configurations that break the Z=64 semi-magic core. Additionally, a new frontier of discrete-line γ-ray spectroscopy at ultra-high spin has been opened in the rare-earth nucleus 158Er. Two rotational structures, displaying high moments of inertia, have been identified, which extend up to spin ∼65ħ and bypass the band-terminating states in these nuclei near I∼45ħ. Cranked Nilsson-Strutinsky calculations suggest that these structures arise from well-deformed triaxial configurations that lie in a valley of favored shell energy, which also includes the well-known triaxial strongly deformed bands in 161−167Lu. Overall, 182 (209) new transitions, including 10 new bands, were placed in the greatly augmented level scheme of 158Er, as a result of our work in this thesis. Results on 158Er have been published in Phys. Rev. Lett. and Phys. Scr. Finally, a local experiment, using the FSU tandem accelerator and the FSU γ-ray detectors, was performed to investigate the odd-odd nucleus 158Tb. Unfortunately, no new significant results on the latter were obtained except for the tentative assignment of a new, strongly-coupled, rotational structure.

Το ερώτημα του πως εξελίσσονται οι ιδιότητες των πυρήνων με την αύξηση της ενέργειας διεγέρσεως και τη στροφορμή (σπιν) είναι ένα από τα τρέχοντα σύνορα στην πυρηνική φυσική. Τελευταίας τεχνολογίας συστήματα ανιχνευτών ακτίνων γ έχουν χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση αυτού του ερωτήματος, σε μια σειρά πυρήνων σπάνιων γαιών με μάζα Α~158. Σημαντικές επεκτάσεις στο φάσμα διέγερσης υψηλής στροφορμής των N=91, 92, 93 ισοτόπων 157,158,159Dy έχουν επιτευχθεί με τη χρήση των υψηλής απόδοσης φασματοσκόπων ακτίνων γ EUROBALL και GAMMASPHERE. Αυτοί οι πυρήνες παρήχθησαν μέσω αδύναμων καναλιών εξόδου 3n ή αxn σε αντιδράσεις σύντηξης–εξάτμισης. Συνολικά 84 (99) νέες μεταπτώσεις, συμπεριλαμβανομένων 2 νέων ζωνών, προστέθηκαν στα ενεργειακά διαγράμματα αποδιέγερσης των 157,158,159Dy. Η συμπεριφορά υψηλής στροφορμής και η συσχέτιση διασταύρωσης ζωνών των ισοτόπων Dy και των γειτονικών N=91, 92 και 93 ισότονων διερευνάται ως προς τις περιστροφικές ευθυγραμμίσεις και τις μεταβάσεις σχήματος. Εκτελέστηκαν περιστροφικοί υπολογισμοί Nilsson-Strutinsky, χωρίς σύζευξη, για λεπτομερείς συγκρίσεις με τις καταστάσεις πολύ υψηλής περιστροφής που παρατηρήθηκαν στο 157Dy. Αποτελέσματα σχετικά με τα 157,158,159Dy έχουν δημοσιευτεί στο Phys. Rev. C. Επιπροσθέτως, μελετήθηκε η μετάβαση, λόγω στροφορμής, από μια παραμορφωμένη κατάσταση συλλογικής περιστροφής σε έναν μη-συλλογικό σχηματισμό. Στο 158Er αυτή η μετάβαση εκδηλώνεται ως ευνοημένος τερματισμός ζώνης κοντά στο I≈45ħ. Η τροφοδοσία αυτών των καταστάσεων τερματισμού ζώνης έχει διερευνηθεί για πρώτη φορά χρησιμοποιώντας τον φασματοσκόπο GAMMASPHERΕ. Έχει ανακαλυφθεί ένας μεγάλος αριθμός από καταστάσεις που έχουν εποικιστεί ασθενώς, βρισκόμενες σε υψηλή ενέργεια διέγερσης, και που διασπώνται προς αυτές τις ξεχωριστές καταστάσεις τερματισμού ζώνης. Οι Nilsson-Strutinsky υπολογισμοί περιστροφής, υποδηλώνουν ότι αυτές οι καταστάσεις προκύπτουν από ασθενείς, συλλογικούς σχηματισμούς που σπάζουν τον ημι-μαγικό πυρήνα Z=64. Επιπλέον, μια νέα εποχή φασματοσκοπίας ακτίνων γ διακριτής γραμμής, σε εξαιρετικά υψηλή στροφορμή, έχει ξεκινήσει για τον πυρήνα των σπάνιων γαιών 158Er. Έχουν εντοπιστεί δύο περιστροφικές δομές, που εμφανίζουν υψηλές ροπές αδράνειας, και οι οποίες εκτείνονται μέχρι το σπιν ~65ħ, παρακάμπτοντας τις καταστάσεις τερματισμού ζώνης σε αυτούς τους πυρήνες κοντά στο I~45ħ. Οι περιστροφικοί υπολογισμοί Nilsson-Strutinsky υποδηλώνουν ότι αυτές οι δομές προκύπτουν από αρκετά παραμορφωμένους, τριαξονικούς σχηματισμούς, που βρίσκονται σε μια κοιλάδα ευνοημένων ενεργειακών φλοιών, η οποία περιλαμβάνει επίσης τις γνωστές τριαξονικές και έντονα παραμορφωμένες ζώνες στο 161−167Lu. Συνολικά, 182 (209) νέες μεταπτώσεις, συμπεριλαμβανομένων 10 νέων ζωνών, τοποθετήθηκαν στο ιδιαιτέρως επαυξημένο ενεργειακό διάγραμμα αποδιέγερσης του 158Er, ως αποτέλεσμα της εργασίας μας σε αυτή τη διατριβή. Τα αποτελέσματα για το 158Er έχουν δημοσιευθεί στα Phys. Rev. Lett. και Phys. Scr. Τέλος, ένα τοπικό πείραμα, χρησιμοποιώντας τον tandem FSU επιταχυντή και τους ανιχνευτές ακτίνων γ του FSU, πραγματοποιήθηκε για τη διερεύνηση του περιττού-περιττού πυρήνα 158Tb. Δυστυχώς, δεν προέκυψαν κάποια νέα, αξιοσημείωτα αποτελέσματα για το προαναφερόμενο, εκτός από την ανεπιβεβαίωτη κατάταξη μιας νέας, ισχυρά-συζευγμένης, περιστροφικής δομής.