MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING MINISTRY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY VIET NAM ATOMIC ENERGY INSTITUTE BÙI DUY LINH STUDY ON THE SHELL STRUCTURE OF THE NEUTRON-RICH ISOTOPES 49Cl AND 49Ar THROUGH ONE-NUCLEON REMOVAL 50 Ar(p,2p) AND 50Ar(p,pn) REACTIONS PhD THESIS IN PHYSICS Hanoi - 2022 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING MINISTRY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY VIET NAM ATOMIC ENERGY INSTITUTE BÙI DUY LINH STUDY ON THE SHELL STRUCTURE OF THE NEUTRON-RICH ISOTOPES 49 Cl AND 49 Ar THROUGH ONE NUCLEON REMOVAL 50 Ar(p,2p) AND 50 Ar(p,pn) REACTIONS Tiếng Việt: Nghiên cứu cấu trúc vỏ của các đồng vị giàu neutron 49 Cl và 49 Ar thông qua phản ứng loại một nucleon 50 Ar(p,2p) và 50 Ar(p,pn) PhD THESIS IN PHYSICS Luận Văn Tiến Sĩ Vật Lý Major: Atomic and nuclear physics Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Major Code: 9.06 SUPERVISORS: Người hướng dẫn: 1. Nguyễn Tuấn Khải 2. Alain Gillibert Hanoi - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi, Bùi Duy Linh, cam đoan rằng công trình nghiên cứu "Nghiên cứu cấu trúc vỏ của các đồng vị giàu neutron 49 Cl và 49 Ar thông qua phản ứng loại một nucleon 50 Ar(p,2p) và 50 Ar(p,pn)" (tên tiếng anh: "Study on the shell structure of the neutron-rich 49 Cl and 49 Ar through one neutron removal 50 Ar(p,2p) and 50 Ar(p,pn) reactions") là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những phần trong luận án tham khảo từ các công bố trước đó đều đã được trích dẫn và ghi nguồn rõ ràng.
Ngoài những phần trích dẫn đó, luận án là toàn bộ công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án được lấy từ sự phân tích các số liệu thực nghiệm hoặc trích dẫn từ một số công bố có sự tham gia trực tiếp của tôi và các cộng sự. Các số liệu, kết quả này là trung thực và chưa được công bố bởi ai khác. Tác giả luận án Bùi Duy Linh i Abstract The atomic nucleus is a dominated by the system by nuclear forces and quantum mechanics.
This is evidenced by the shell structure of nucleons. Goeppert-Mayer and the research group of O. Suess independently published the results of an experiment that observed the energy (energy gap) between two shells. Nuclei are filled with a major shell (known as a closed shell) by protons or neutrons are called magic nuclei and have a sphere shape.
The magic numbers in the nucleus are 2, 8, 20, 28, 50, 82, and 126. A magic nucleus is more stable than others, and this means the excitation energy required to transfer the nucleon to the next shell is significantly larger than their nuclear "neighbors." This special feature is used to search for magic nuclei far from stability. However, recent studies of exotic nuclei far from stability discovered that common magic numbers (8, 20, 28, 50, 82, 126) could be altered while new magic numbers (14, 32, 34) could appear. The evidence for nuclear shell changes (so-called nuclear shell evolution) has been explored at the magic number N = 32, 34 in 52,54 Ca or close shell N = 32 in 50 Ar.
The properties of the ground state of 50 Ar (Z = 18, N = 32) and a shell structure of 49 Ar (Z = 18, N = 31) is of great interest because they are expected to provide a necessary information on the migration of the pf neutron shell below Ca. In parallel with the change of the neutron shell structure, when adding a few neutrons to a chain isotope, the proton orbitals are also changed. In K isotopes with N = 20 to 28, experimental results were confirmed for the inversion of the spin-parity J π = 3/2+ for the ground state and J π = 1/2+ for the first excited state, respectively to holes in orbitals 0d3/2 and 1s1/2. A prediction from the shell model of a similar phenomenon occurs in the Cl isotopes.
49 Cl (Z = 17, N = 32) is a study candidate for the evolution of both neutron and proton shells in Cl chain. In this thesis, the shell structure of the 49 Cl and 49 Ar isotopes will be studied through universal gamma and momentum distribution combined with the theoretical calculation. The first γ-ray spectroscopy of 49 Cl and 49 Ar was performed at the Radioactive Isotope Beam Factory with 50 Ar projectiles at 217 MeV/nucleon in the middle of the target. The inter- ested nuclei were produced through one-nucleon removal reactions of 50 Ar(p,2p) and 50 Ar(p,pn) on the liquid hydrogen target of the MINOS device.
This device was made with a length of 150 mm to increase the total amount of nuclear reactions. Proton tracks in a TPC are used to reconstruct the reaction points. Prompt de-excitation γ rays were measured with the NaI(Tl) array DALI2+ , while the momentum distributions were obtained with the SAMURAI spectrome- ter. The TOF-Bρ-∆E method allowed unambiguous identification of the incoming and outgoing nuclei in the BigRIPS and SAMURAI spectrometers, respectively.
ii After a new re-calibration and correction parameters were applied for raw data to obtain the best particle identification, the procedure analyses of the gamma spectroscopy and the momentum distribution permitted building the level scheme and calculating cross-sections of 49 Ar and 49 Cl. Through the one-proton removal reaction 50 Ar(p,2p), a spin-parity J π = 3/2+ is assigned for the ground state of 49 Cl, similar to the recently studied N = 32 isotope 51 K. The first excited state at 350 keV is decided on J π = 1/2+ , while the excited state at 1515 keV is deduced J π = 5/2+. For the one-neutron removal reaction 50 Ar(p,pn), a tentative spin-parity could be determined for the low-lying states of 49 Ar.
A spin-parity J π = 3/2− is suggested for the ground state hence the first excited state at 198 keV has J π = 1/2−. The excited state at 1340 keV is confirmed J π = 7/2−. In addition, two excited states at 1050 keV and 1466 keV are proposed J π = 5/2− and J π = 3/2− 2 , respectively. Besides, the ground state configuration of the 50 Ar isotope is based on one-nucleon removal reactions, which will be discussed.
Investigation results of the shell structure evolution in 49 Ar and 49 Cl were compared to state-of-the-art theoretical predictions. They include shell-model calculations using SDPF-MU effective interaction or ab initio methods; reaction model calculations using the transfer to continuum method (TC) or distorted-wave impulse-approximation (DWIA). The experimental results in the thesis agreed with the theoretical predictions above, which is the basis for developing more accurate theoretical calculation models. iii Tóm tắt Hạt nhân nguyên tử là một hệ bị chi phối bởi lực hạt nhân và cơ học tượng tử, bằng chứng chính là cấu trúc vỏ của các nucleon.
Goeppert-Mayer và nhóm nghiên cứu O. Suess đã độc lập công bố kết quả về thí nghiệm quan sát được năng lượng (khoảng cách về năng lượng) giữa hai lớp vỏ. Các hạt nhân được điền đầy lớp vỏ (được gọi là lớp vỏ đóng) bởi proton hoặc neutron được gọi là hạt nhân magic và có hình dạng cầu. Số magic trong hạt nhân bền là 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Các hạt nhân có số magic này bền hơn các đồng vị bên cạnh, điều này có nghĩa là năng lượng kích thích để đưa nucleon lên lớp vỏ tiếp theo của chúng lớn hơn đáng kể so với các hạt nhân “láng giềng”. Đặc điểm này được dùng để tìm kiếm các hạt nhân có số magic nằm xa vùng bền β. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây về các hạt nhân lạ nằm xa vùng bền đã khám phá ra các số magic thông thường (8, 20, 28, 50, 82, 126) có thể bị thay đổi, trong khi một số đồng vị có thể xuất hiện các số magic mới (14, 32, 34). Bằng chứng cho sự thay đổi của lớp vỏ hạt nhân (sự tiến hóa của lớp vỏ hạt nhân) đã được tìm thấy như số magic N = 32, 34 trong 52,54 Ca hoặc lớp vỏ đóng N = 32 trong 50 Ar.
Đặc trưng trạng thái cơ bản của 50 Ar (Z = 18, N = 32) và cấu trúc lớp vỏ của 49 Ar (Z = 18, N = 31) rất được quan tâm vì sự kỳ vọng sẽ mang lại các thông tin cần thiết về sự di trú của lớp neutron pf bên dưới Ca. Song song với sự thay đổi của cấu trúc lớp vỏ neutron, khi điền thêm các neutron vào một vài chuỗi đồng vị đã dẫn đến sự biến đổi của quỹ đạo proton. Trong chuỗi đồng vị K với N = 20 đến 28, các kết quả thí nghiệm đã xác nhận về sự đảo ngược spin J π = 3/2+ đối với trạng thái cơ bản và J π = 1/2+ đối với trạng thái kích thích đầu tiên, tương ứng với một lỗ trống trong quỹ đạo 0d3/2 và 1s1/2. Một dự đoán từ mẫu vỏ về hiện tượng tương tự xảy ra trong chuỗi đồng vị Cl.
49 Cl (Z = 17, N = 32) là một đối tượng nghiên cứu cho sự tiến hóa của cả lớp vỏ neutron và proton trong chuỗi đồng vị này. Trong luận án này, cấu trúc vỏ của đồng vị 49 Cl và 49 Ar sẽ được nghiên cứu thông qua phổ gamma tức thời và phân bố xung lượng kết hợp với các tính toán lý thuyết. Lần đầu tiên phản ứng loại 1 nucleon 50 Ar(p,2p)49 Cl và 50 Ar(p,pn)49 Ar trên bia hydro lỏng được thực hiện tại tổ hợp sản xuất chùm đồng vị phóng xạ (Radioactive Isotope Beam Factory - RIBF), Viện nghiên cứu Hóa Lý - RIKEN. Chùm hạt tới 50 Ar là sản phẩm của phản ứng phân mảnh chùm sơ cấp 70 Zn trên bia 9 Be ở năng lượng 345 MeV/nucleon.
50 Ar được nhận diện trong phổ kế từ BigRIPS bằng phương pháp đo TOF-Bρ-∆E trước khi tới bia phản ứng trong thiết bị MINOS. Bia hyđrô lỏng có chiều dài 150 mm để tăng số lượng phản ứng hạt nhân. Thiết bị MINOS sử dụng TPC để theo dõi quỹ đạo đường đi của proton trong phản ứng, thông tin quỹ đạo này được sử dụng để xây dựng lại vị trí phản ứng trong bia. Các tia gamma tức iv thời phát ra trên đường bay của 49 Cl và 49 Ar được đo hệ đo DALI2+.
Với thiết kế 226 tinh thể NaI(Tl) xếp bao quanh MINOS, DALI2+ có thể đo ở góc ≈ 4π. Các hạt sản phẩm 49 Cl và 49 Ar sẽ được nhận diện bằng phổ kế từ SAMURAI dựa trên phương pháp đo TOF-Bρ-∆E. Bên cạnh đó, phổ kế từ SAMURAI cũng cho phép đo đạc các thông số dùng để phân tích phân bố xung lượng của các hạt sản phẩm này. Sau khi thực hiện hiệu chuẩn và hiệu chỉnh lại các thông số cần thiết cho số liệu thô để thu được kết quả nhận diện hạt tốt nhất, các quy trình phân tích phổ gamma, phân bố xung lượng cho phép xây dựng sơ đồ mức kích thích, tính toán tiết diện của 49 Cl và 49 Ar.
Thông qua phản ứng loại bỏ một proton 50 Ar(p,2p), spin và độ chẵn lẻ J π = 3/2+ được gán cho trạng thái cơ bản, tương tự như các kết quả nghiên cứu hiện tại của đồng vị 51 K với N = 32.