Studies of peripheral heavy-ion reactions with the MAGNEX spectrometer for the production of neutron-rich isotopes

Abstract

Peripheral reactions of medium-mass nuclei in the Fermi energy regime (10-30 MeV/nucleon) offer a promising pathway for producing exotic neutron-rich isotopes and probing intricate reaction mechanisms. The work of this thesis constitutes a systematic study of peripheral reactions of medium-mass nuclei in the Fermi energy regime, focusing on the reaction of 70Zn (15 MeV/nucleon) + 64Ni using the MAGNEX spectrometer. MAGNEX through its advanced ray-reconstruction methods allowed for the precise determination of ejectiles with respect to the atomic number Z, the mass number A, the momentum per nucleon p/A and the reaction angle θlab. The experimental p/A, angular, production cross sections, and excitation energy distributions for several multinucleon transfer channels were extracted and studied in detail, along with comparisons to theoretical models and kinematic calculations. This work indicated the dominance of direct reaction mechanisms at low excitation energy (below about 20 MeV) and the appearance of more complicated processes (beyond independent nucleon exchange) at higher excitation energy. Comparative analyses with the DIT, CoMD, and GEMINI models indicated an overall satisfactory description and underscored their limitations in certain reaction channels, highlighting the need for further developments and the integration of direct reaction codes in the context of this research direction. This work not only deepens our understanding of peripheral heavy-ion reactions, but also outlines the pivotal role of the MAGNEX magnetic spectrometer in modern nuclear research. Its state-of-the-art design and high-resolution capabilities pave the way for future studies aimed at optimizing the production of exotic nuclei and exploring the underlying dynamics of nuclear reactions.

Oι περιφερειακές αντιδράσεις πυρήνων μέσης μάζας στην περιοχή ενεργειών Fermi (10-30 MeV/νουκλεόνιο) προσφέρουν μια υποσχόμενη οδό για την παραγωγή εξωτικών ισοτόπων πλουσίων σε νετρόνια και τη διερεύνηση πολύπλοκων μηχανισμών αντίδρασης. Η διατριβή αποτελεί μια συστηματική μελέτη των περιφερειακών αντιδράσεων πυρήνων μέσης μάζας στην περιοχή ενεργειών Fermi, εστιάζοντας στην αντίδραση 70Zn (15 MeV/nucleon) + 64Ni χρησιμοποιώντας το φασματόμετρο MAGNEX. Το MAGNEX, μέσω προηγμένων μεθόδων ανακατασκευής τροχιών, επέτρεψε τον ακριβή προσδιορισμό των θραυσμάτων ως προς τον ατομικό αριθμό Z, τον μαζικό αριθμό A, την ορμή ανά νουκλεόνιο p/A και τη γωνία θlab. Από τα πειραματικά δεδομένα, εξήχθησαν και μελετήθηκαν σε βάθος οι κατανομές της p/A, οι γωνιακές κατανομές, οι ενεργές διατομές παραγωγής και οι κατανομές της ενέργειας διεγέρσεως για διάφορα κανάλια πολλαπλής μεταφοράς νουκλεονίων, σε συνδυασμό με θεωρητικούς υπολογισμούς και κινηματική ανάλυση. Αυτή η εργασία ανέδειξε την κυριαρχία των άμεσων μηχανισμών αντίδρασης σε χαμηλές ενέργειες διεγέρσεως (κάτω από περίπου 20 MeV), ενώ σε υψηλότερες ενέργειες διεγέρσεως παρατηρήθηκαν πιο σύνθετες διαδικασίες πέραν της ανεξάρτητης ανταλλαγής νουκλεονίων. Οι συγκριτικές αναλύσεις με τα μοντέλα DIT, CoMD και GEMINI ανέδειξαν ικανοποιητική περιγραφή αλλά και περιορισμούς τους σε ορισμένα κανάλια αντίδρασης, υπογραμμίζοντας την ανάγκη περαιτέρω ανάπτυξης των μοντέλων και ενσωμάτωσης κωδίκων άμεσων αντιδράσεων στο πλαίσιο αυτής της ερευνητικής κατεύθυνσης. Αυτή η εργασία δεν εμβαθύνει μόνο στην κατανόηση των περιφερειακών αντιδράσεων βαρέων ιόντων, αλλά επίσης αναδεικνύει τον καθοριστικό ρόλο του φασματόμετρου MAGNEX στη σύγχρονη πυρηνική έρευνα. Ο πρωτοποριακός του σχεδιασμός και η υψηλή ανάλυση που προσφέρει ανοίγουν νέες προοπτικές για μελλοντικές μελέτες που στοχεύουν στη βελτιστοποίηση της παραγωγής εξωτικών πυρήνων και στη διερεύνηση της δυναμικής των πυρηνικών αντιδράσεων.