Luận án tiến sĩ nghiên cứu cấu trúc vỏ của các đồng vị giàu neutron 49cl và 49ar thông qua phản ứng loại một nucleon 50arp 2p và 50arp pn

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu cấu trúc vỏ của các đồng vị giàu neutron 49cl và 49ar thông qua phản ứng loại một, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề xuất

• Tác giả: Bùi Duy Linh
• Người hướng dẫn: Assoc. Nguyễn Tuấn Khải
• Trường học: Viet Nam Atomic Energy Institute
• Chuyên ngành: Atomic and nuclear physics
• Đề tài: 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)
• Loại tài liệu: PhD thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• Abstract
• Tóm tắt
• Acknowledgements
• Table of Contents
• 1. Introduction
• 1.1. Radioactive ion beam
• 1.2. In-beam γ-ray spectroscopy
• 1.3. Nuclear structure calculations
• 1.4. Reaction-model Calculations
• 1.5. The state-of-the-art theoretical calculations
• 2. The third SEASTAR campaign setup
• 2.1. Acceleration of a 53 K primary beam
• 2.2. BigRIPS beam-line detectors
• 2.3. The MINOS device - Secondary target
• 2.4. Data acquisition system
• 2.5. Summary of data
• 2.6. Particle identification method
• 2.7. Particle identification in BigRIPS
• 2.8. Particle identification in SAMURAI
• 2.9. Calibration for the secondary reactions
• 2.10. Gamma spectrum analysis
• 2.11. Test case of (p,2p) and (p,pn) channels
• 3. Inclusive cross-section
• 3.1. Exclusive cross-section
• 4. Results and Discussion
• 4.1. 50 Ar(p,2p)49 Cl channel
• 4.2. Gamma-gamma coincidences
• 4.3. 50 Ar(p,pn)49 Ar channel
• 4.4. Gamma-gamma coincidences
• 5. Conclusion and future perspectives
• References
• Abbreviations
• List of Figures
• List of Tables

Tóm tắt

I. Cấu trúc vỏ hạt nhân và đồng vị giàu neutron

Nghiên cứu tập trung vào cấu trúc vỏ hạt nhân của các đồng vị giàu neutron 49Cl và 49Ar. Cấu trúc vỏ hạt nhân được xác định bởi lực hạt nhân và cơ học lượng tử, với các lớp vỏ đóng (magic nuclei) tạo nên sự ổn định. Các số magic như 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính ổn định của hạt nhân. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng các số magic này có thể thay đổi ở các hạt nhân xa vùng bền, dẫn đến sự xuất hiện của các số magic mới như 14, 32, 34. Điều này được gọi là sự tiến hóa của lớp vỏ hạt nhân.

1.1. Sự tiến hóa của lớp vỏ hạt nhân

Sự tiến hóa của lớp vỏ hạt nhân được nghiên cứu thông qua các đồng vị giàu neutron như 49Cl và 49Ar. Các kết quả thí nghiệm cho thấy sự thay đổi trong cấu trúc lớp vỏ neutron và proton khi thêm neutron vào chuỗi đồng vị. Ví dụ, trong chuỗi đồng vị K, sự đảo ngược spin-parity đã được quan sát, tương tự như dự đoán trong chuỗi đồng vị Cl. 49Cl (Z = 17, N = 32) là đối tượng nghiên cứu chính để hiểu rõ hơn về sự tiến hóa này.

II. Phản ứng loại một nucleon và thí nghiệm hạt nhân

Nghiên cứu sử dụng phản ứng loại một nucleon 50Ar(p,2p) và 50Ar(p,pn) để khám phá cấu trúc vỏ của 49Cl và 49Ar. Các phản ứng này được thực hiện tại Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF) với chùm hạt 50Ar ở năng lượng 217 MeV/nucleon. Thiết bị MINOS được sử dụng để tăng hiệu suất phản ứng, trong khi DALI2+ và SAMURAI được dùng để đo đạc tia gamma và phân bố xung lượng.

2.1. Thiết bị và phương pháp thí nghiệm

Thiết bị MINOS bao gồm bia hydro lỏng dài 150 mm và Time Projection Chamber (TPC) để theo dõi quỹ đạo proton. DALI2+ với 226 tinh thể NaI(Tl) được sử dụng để đo tia gamma, trong khi SAMURAI xác định phân bố xung lượng của các hạt sản phẩm. Phương pháp TOF-Bρ-∆E được áp dụng để nhận diện chính xác các hạt nhân.

III. Kết quả và phân tích

Kết quả thí nghiệm cho thấy spin-parity của trạng thái cơ bản của 49Cl là Jπ = 3/2+, tương tự như đồng vị 51K. Trạng thái kích thích đầu tiên ở 350 keV được xác định là Jπ = 1/2+, trong khi trạng thái ở 1515 keV là Jπ = 5/2+. Đối với 49Ar, trạng thái cơ bản được đề xuất là Jπ = 3/2−, với các trạng thái kích thích ở 198 keV (Jπ = 1/2−) và 1340 keV (Jπ = 7/2−).

3.1. So sánh với lý thuyết

Kết quả thí nghiệm được so sánh với các dự đoán lý thuyết hiện đại, bao gồm mô hình mẫu vỏ sử dụng tương tác SDPF-MU và phương pháp ab initio. Các tính toán phản ứng sử dụng phương pháp TC và DWIA cũng được áp dụng. Sự tương đồng giữa kết quả thí nghiệm và lý thuyết là cơ sở để phát triển các mô hình tính toán chính xác hơn.

IV. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này cung cấp hiểu biết sâu sắc về cấu trúc hạt nhân và sự tiến hóa của lớp vỏ trong các đồng vị giàu neutron. Các kết quả không chỉ khẳng định các lý thuyết hiện có mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới về các hạt nhân xa vùng bền. Ứng dụng thực tiễn bao gồm việc phát triển các mô hình hạt nhân chính xác hơn, hỗ trợ nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý hạt nhân và năng lượng nguyên tử.

4.1. Tầm quan trọng trong vật lý hạt nhân

Nghiên cứu về 49Cl và 49Ar góp phần làm sáng tỏ các hiện tượng vật lý cơ bản trong hạt nhân nguyên tử. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của các hạt nhân giàu neutron, cũng như ứng dụng trong các lĩnh vực như năng lượng hạt nhân và vật lý thiên văn.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình luận án tiến sĩ vật lý của tác giả Bùi Duy Linh với tiêu đề "Nghiên cứu cấu trúc vỏ của các đồng vị giàu neutron $^{49}\text{Cl}$ và $^{49}\text{Ar}$ thông qua phản ứng loại một nucleon $^{50}\text{Ar}(p,2p)$ và $^{50}\text{Ar}(p,pn)$" (tên tiếng Anh: "Study on the shell structure of the neutron-rich isotopes $^{49}\text{Cl}$ and $^{49}\text{Ar}$ through one-nucleon removal $^{50}\text{Ar}(p,2p)$ and $^{50}\text{Ar}(p,pn)$ reactions") được thực hiện tại Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam (VINATOM) thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ và Bộ Giáo dục và Đào tạo, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Tuấn Khải và TS. Alain Gillibert.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong vật lý cấu trúc hạt nhân, mô hình mẫu vỏ truyền thống xác định các số kỳ diệu (magic numbers) bao gồm $2, 8, 20, 28, 50, 82, 126$, tương ứng với các phân lớp vỏ đóng kín mang lại tính chất bền vững vượt trội và hình dạng cầu cho hạt nhân nguyên tử. Tuy nhiên, khi nghiên cứu các hạt nhân dị thường (exotic nuclei) nằm xa thung lũng bền beta, trật tự mức năng lượng đơn hạt bị biến đổi rõ rệt (hiện tượng tiến hóa vỏ hạt nhân - nuclear shell evolution). Các nghiên cứu thực nghiệm đã ghi nhận sự biến mất của số kỳ diệu truyền thống $N = 28$ ở $^{42}\text{Si}$, đồng thời xuất hiện các số kỳ diệu mới như $N = 14$ ở $^{22}\text{O}$, $N = 32, 34$ ở chuỗi đồng vị $^{52,54}\text{Ca}$ và phân lớp đóng $N = 32$ ở $^{50}\text{Ar}$.

Song song với sự biến đổi của vỏ neutron phân lớp $pf$, việc bổ sung neutron vào các chuỗi đồng vị cũng dẫn đến sự dịch chuyển quỹ đạo proton trong lớp vỏ $sd$. Tại chuỗi đồng vị kali ($Z = 19$), hiện tượng đảo spin giữa trạng thái cơ bản $J^\pi = 3/2^+$ (lỗ trống trên orbital $\pi 0d_{3/2}$) và trạng thái kích thích đầu tiên $J^\pi = 1/2^+$ (lỗ trống trên orbital $\pi 1s_{1/2}$) đã được xác nhận thực nghiệm từ $N = 20$ đến $N = 28$, và sau đó trạng thái cơ bản $J^\pi = 3/2^+$ được khôi phục tại $N = 32, 34$ ($^{51,53}\text{K}$). Các tính toán lý thuyết dự đoán hiện tượng tương tự xảy ra ở chuỗi đồng vị clo ($Z = 17$). Tuy nhiên, trước nghiên cứu này, cấu trúc mức năng lượng và spin-parity của đồng vị $^{49}\text{Cl}$ ($Z = 17, N = 32$) vẫn chưa có số liệu thực nghiệm. Mặt khác, đối với đồng vị $^{50}\text{Ar}$ ($Z = 18, N = 32$), dù năng lượng trạng thái kích thích đầu tiên $2^+_1$ đã được quan sát, cấu hình trạng thái cơ bản cũng như phổ kích thích của hạt nhân con $^{49}\text{Ar}$ ($Z = 18, N = 31$) nhằm đánh giá độ bền của phân lớp đóng $N = 32$ bên dưới canxi vẫn còn là một khoảng trống thực nghiệm lớn.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định các mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau:

1. Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc vỏ và hiện tượng tiến hóa vỏ của đồng vị giàu neutron $^{49}\text{Cl}$ ($Z = 17, N = 32$) thông qua phản ứng loại bỏ một proton $^{50}\text{Ar}(p,2p)^{49}\text{Cl}$.
2. Khảo sát phổ kế gamma tức thời, phân bố xung lượng và cấu trúc các mức kích thích thấp của đồng vị $^{49}\text{Ar}$ ($Z = 18, N = 31$) thông qua phản ứng loại bỏ một neutron $^{50}\text{Ar}(p,pn)^{49}\text{Ar}$ để kiểm chứng độ bền của phân lớp đóng $N = 32$ bên dưới canxi.
3. Xác định spin, độ chẵn lẻ ($J^\pi$), tiết diện phản ứng (inclusive và exclusive), các yếu tố phổ (spectroscopic factors) của $^{49}\text{Cl}$ và $^{49}\text{Ar}$, từ đó thảo luận cấu hình trạng thái cơ bản của hạt nhân mẹ $^{50}\text{Ar}$.
4. So sánh và đối chuẩn các kết quả đo đạc thực nghiệm với các mô hình mẫu vỏ và tính toán vi mô ab initio hiện đại.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Hạt nhân giàu neutron $^{49}\text{Cl}$, $^{49}\text{Ar}$ và hạt nhân mẹ $^{50}\text{Ar}$; các phản ứng loại một nucleon quasi-free $^{50}\text{Ar}(p,2p)^{49}\text{Cl}$ và $^{50}\text{Ar}(p,pn)^{49}\text{Ar}$ trong hệ động học nghịch.
• Phạm vi không gian thực nghiệm: Thực hiện tại Tổ hợp chùm hạt ion phóng xạ (Radioactive Isotope Beam Factory - RIBF), Viện Nghiên cứu Hóa lý RIKEN, Nhật Bản, kết hợp máy phân tách BigRIPS, phổ kế từ SAMURAI, mảng đầu dò gamma DALI2+ và thiết bị bia hydro lỏng MINOS.
• Phạm vi thời gian: Số liệu thực nghiệm được thu thập trong chiến dịch SEASTAR lần thứ ba (SEASTAR3) diễn ra từ ngày 06 đến ngày 14 tháng 5 năm 2017 với tổng thời gian thu thập dữ liệu chùm hạt là 167 giờ.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu tiền đề

Sự phát triển của mô hình mẫu vỏ hạt nhân khởi đầu từ công trình độc lập của Maria Goeppert-Mayer (1949) cùng nhóm Otto Haxel, J. Hans D. Jensen và Hans E. Suess (1949), chứng minh rằng việc bổ sung tương tác spin-quỹ đạo ($\vec{j} = \vec{\ell} + \vec{s}$) giải thích được các khoảng cách năng lượng lớn tạo nên các số kỳ diệu $2, 8, 20, 28, 50, 82, 126$ trong các hạt nhân bền.

Khi kỹ thuật chùm ion phóng xạ (RIB) phát triển, các nghiên cứu trên hạt nhân giàu neutron xa vùng bền đã ghi nhận sự tiến hóa của các lớp vỏ:

• Hiện tượng suy giảm tính chất đóng vỏ $N = 28$ được phát hiện ở $^{42}\text{Si}$ (Bastin et al., 2007).
• Sự xuất hiện của số kỳ diệu mới $N = 14$ ở $^{22}\text{O}$ (Stanoiu et al., 2004) và $N = 32, 34$ ở chuỗi canxi $^{52,54}\text{Ca}$ (Steppenbeck et al., 2013; Wienholtz et al., 2013).
• Cơ chế hình thành số kỳ diệu $N = 34$ được giải thích do tương tác hút tensor giữa proton $\pi 0f_{7/2}$ và neutron $\nu 0f_{5/2}$; khi các proton trên orbital $\pi 0f_{7/2}$ bị loại bỏ từ $^{60}\text{Fe}$ về $^{54}\text{Ca}$, orbital $\nu 0f_{5/2}$ bị đẩy lên mức năng lượng cao hơn, làm tăng khoảng cách năng lượng (Steppenbeck et al., 2013).
• Ở chuỗi kali ($Z = 19$), hiện tượng đảo spin giữa các orbital $\pi 0d_{3/2}$ và $\pi 1s_{1/2}$ khi bổ sung neutron từ $N = 20$ đến $N = 28$ được khảo sát qua các công bố của Otsuka et al. (2005, 2010), Papenbrock et al. Nghiên cứu của Sun et al. (2020) đã tiến hành phổ kế hạt nhân đầu tiên cho $^{51,53}\text{K}$ và xác nhận sự tái khôi phục spin trạng thái cơ bản $J^\pi = 3/2^+$ tại $N = 32, 34$.
• Đối với chuỗi clo ($Z = 17$), các nghiên cứu trước đây (như Sorlin et al., Gaudefroy et al.) chỉ xác định được độ lớn tuyệt đối của độ tách mức năng lượng $|\Delta| = |E(1/2^+_1) - E(3/2^+_1)|$ ở $^{41,43,45}\text{Cl}$ qua phân rã beta và tán xạ không đàn hồi, nhưng chưa xác định được spin-parity trạng thái cơ bản cho $^{49}\text{Cl}$ ($N = 32$).
• Đối với chuỗi agon ($Z = 18$), phép đo khối lượng và năng lượng tách hai neutron $S_{2n}$ khẳng định tính đóng vỏ tại $N = 28$. Nghiên cứu của Steppenbeck et al. (2015) và Browne et al. (2020) xác định năng lượng kích thích của trạng thái $2^+_1$ trong $^{50}\text{Ar}$ là bằng chứng cho phân lớp đóng $N = 32$, nhưng chưa đủ thống kê để phân tích trùng phùng $\gamma - \gamma$ và cấu hình trạng thái cơ bản.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án thực hiện phân tích thực nghiệm phổ kế gamma tức thời và phân bố xung lượng đầu tiên cho $^{49}\text{Cl}$ và $^{49}\text{Ar}$ sinh ra từ phản ứng loại một nucleon từ chùm $^{50}\text{Ar}$. Luận án giải quyết dứt điểm câu hỏi về spin-parity trạng thái cơ bản của $^{49}\text{Cl}$ tại $N = 32$, xác định cấu trúc mức kích thích của $^{49}\text{Ar}$, và làm sáng tỏ mức độ pha trộn cấu hình trong sóng hàm trạng thái cơ bản của $^{50}\text{Ar}$.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các mô hình tính toán

1. Mô hình mẫu vỏ hạt nhân (Nuclear Shell Model):

   • Tính toán mẫu vỏ sử dụng mã KSHELL (phát triển bởi Shimizu et al.), áp dụng tương tác hiệu dụng SDPF-MU (Utsuno et al., 2012) và phiên bản tinh chỉnh SDPF-MUs (Sun et al., 2020).
   • Không gian hóa trị gồm các orbital $sd$ ($\pi 0d_{5/2}, \pi 1s_{1/2}, \pi 0d_{3/2}$) cho proton và các orbital $pf$ ($\nu 0f_{7/2}, \nu 1p_{3/2}, \nu 1p_{1/2}, \nu 0f_{5/2}$) cho neutron trên lõi trơ $^{28}\text{O}$.
   • Tương tác hạt nhân gồm thế USD cho proton, Hamilton GXPF1B cho neutron và tương tác xuyên vỏ $V_{MU}$.

2. Các phương pháp tính toán vi mô khởi thủy (Ab initio calculations):

   • Phương pháp hàm Green tự nhất quán Gorkov (GGF - Gorkov Self-Consistent Green's Function): Thực hiện trong không gian toàn phần với cơ sở dao động điều hòa cầu gồm 14 lớp vỏ chính ($e_{max} = 13$), ma trận ba nucleon giới hạn ở $e_{3max} = 16$. Sử dụng hai tương tác chiral hai và ba nucleon: $\text{NNLO}_{sat}$ (tối ưu hóa mô tả bán kính và tính chất bão hòa hạt nhân) và $\text{NN}+3\text{N}(\text{lnl})$ (kết hợp lực hai vật $\text{N}^3\text{LO}$ và ba vật $\text{N}^2\text{LO}$).
   • Phương pháp nhóm tái chuẩn hóa tương tự trong môi trường không gian hóa trị (VS-IMSRG - Valence-Space In-Medium Similarity Renormalization Group): Tách Hamilton không gian hóa trị từ không gian toàn phần thông qua phép biến đổi đơn vị xấp xỉ IMSRG(2), sử dụng tương tác chiral hiệu dụng 1.8/2.0 (EM) dựa trên thế hai nucleon tiến hóa SRG với $\lambda_{\text{SRG}} = 1.8\text{ fm}^{-1}$ và lực ba nucleon chuẩn hóa theo năng lượng liên kết của $^3\text{H}$ và bán kính của $^4\text{He}$ với cutoff $\Lambda_{3\text{N}} = 2.0\text{ fm}^{-1}$.

3. Mô hình phản ứng loại một nucleon (Quasi-free Knockout Reaction Models):

   • Phương pháp chuyển vào vùng liên tục (TC - Transfer to Continuum): Tính toán tiết diện đơn hạt $\sigma_{sp}$ và phân bố xung lượng cho các sóng có mômen động lượng quỹ đạo $\ell = 0$ ($s_{1/2}$), $\ell = 2$ ($d_{3/2}$), $\ell = 1$ ($p_{3/2}, p_{1/2}$) và $\ell = 3$ ($f_{7/2}$).
   • Xấp xỉ xung sóng méo (DWIA - Distorted-Wave Impulse-Approximation): Tính toán tiết diện và phân bố xung lượng song song (PMD), xung lượng ngang (TMD) của mảnh phản ứng để đối sánh với thực nghiệm.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

• Phương pháp nhận diện hạt (PID): Áp dụng kỹ thuật $\text{TOF}-B\rho-\Delta E$ trên từng sự kiện (event-by-event) tại máy phân tách BigRIPS và phổ kế từ SAMURAI để xác định số khối trên điện tích ($A/Q$) và điện tích hạt nhân ($Z$).
• Đo phổ gamma tức thời (In-beam $\gamma$-ray spectroscopy): Sử dụng mảng tinh thể nhấp nháy $\text{NaI(Tl)}$ DALI2+ bố trí bao quanh bia hydro lỏng để đo năng lượng và góc phát xạ của photon phát ra từ các mảnh phản ứng chuyển động với vận tốc xấp xỉ $0.6c$.
• Hiệu chỉnh dịch chuyển Doppler (Doppler correction): Năng lượng gamma trong hệ quy chiếu khối tâm được hiệu chỉnh theo công thức: $$E_{\gamma 0} = E_{\gamma, \text{lab}} \times \gamma (1 - \beta \cos\theta_{\text{lab}})$$ trong đó $\beta = v/c$, $\gamma = 1/\sqrt{1-\beta^2}$, và $\theta_{\text{lab}}$ là góc phát xạ gamma so với hướng bay của hạt được xác định từ vị trí tương tác (vertex) trong bia.
• Tái tạo đỉnh phản ứng (Vertex reconstruction): Sử dụng buồng chiếu thời gian (TPC) của thiết bị MINOS kết hợp máy đo quỹ đạo chùm hạt (BDC1, BDC2) để dựng lại tọa độ tương tác 3D $(x, y, z)$ trong bia hydro lỏng với độ phân giải vị trí đạt $\sim 4\text{ mm}$ FWHM theo trục chùm.
• Thuật toán cộng gộp năng lượng (Add-back procedure): Nhóm các tinh thể $\text{NaI(Tl)}$ trong bán kính $15\text{ cm}$ để khôi phục các sự kiện tán xạ Compton, nâng cao hiệu suất đỉnh toàn phần của DALI2+.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm

Dữ liệu được thu thập từ chiến dịch thực nghiệm SEASTAR3 tại RIKEN RIBF. Chùm hạt sơ cấp $^{70}\text{Zn}^{30+}$ được gia tốc bởi hệ thống máy gia tốc RILAC, RRC, fRC, IRC và SRC đến năng lượng $345\text{ MeV/nucleon}$, cường độ $240\text{ pnA}$ ($1.5 \times 10^{12}\text{ pps}$), bắn phá bia berili ($^9\text{Be}$) dày $10\text{ mm}$ ở lối vào BigRIPS. Chùm thứ cấp $^{50}\text{Ar}$ được chọn lọc và vận chuyển tới bia hydro lỏng $\text{LH}_2$ dày $150\text{ mm}$ (mật độ $73\text{ mg/cm}^3$, bề dày $1.16\text{ g/cm}^2$) tại thiết bị MINOS với năng lượng trung bình tại tâm bia là $217\text{ MeV/nucleon}$.

Thông số thực nghiệm	Giá trị
Chùm hạt sơ cấp	$^{70}\text{Zn}^{30+}$, năng lượng $345\text{ MeV/nucleon}$
Cường độ chùm sơ cấp	$240\text{ pnA}$ ($\sim 1.5 \times 10^{12}\text{ hạt/giây}$)
Bia sản xuất sơ cấp	$^9\text{Be}$, bề dày $10\text{ mm}$
Chùm hạt thứ cấp quan tâm	$^{50}\text{Ar}$, năng lượng tại tâm bia $\sim 217\text{ MeV/nucleon}$
Bia phản ứng thứ cấp (MINOS)	Hydro lỏng ($\text{LH}_2$), chiều dài $150\text{ mm}$, nhiệt độ $20\text{ K}$, mật độ $73\text{ mg/cm}^3$
Hệ phổ kế gamma	DALI2+ gồm 226 tinh thể $\text{NaI(Tl)}$, góc phủ $15^\circ - 118^\circ$
Phổ kế hạt mang điện	SAMURAI với nam châm lưỡng cực siêu dẫn từ trường $2.7\text{ T}$, góc quay $30^\circ$
Thời gian thu thập số liệu	167 giờ

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu và cơ sở lý thuyết (Introduction)

Chương 1 trình bày tổng quan về vật lý cấu trúc hạt nhân của các đồng vị giàu neutron, cơ sở lý thuyết của sự tiến hóa cấu trúc vỏ hạt nhân quanh vùng $N = 32, 34$, và nguyên lý của các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết.

• Tiến hóa vỏ tại $N = 32$: Trình bày sự thay đổi năng lượng kích thích của trạng thái $2^+_1$ ở các hạt nhân chẵn-chẵn lân cận canxi ($^{52,54}\text{Ca}, ^{50}\text{Ar}, ^{46,48}\text{Ar}$).
• Hiện tượng đảo spin trong các đồng vị lẻ: Phân tích sự suy giảm chênh lệch năng lượng giữa các trạng thái $1/2^+1$ và $3/2^+1$ trong chuỗi đồng vị K ($Z=19$) và Cl ($Z=17$) do tương tác tensor giữa orbital proton $\pi 0d{3/2}$ và neutron $\nu 0f{7/2}$.
• Kỹ thuật chùm ion phóng xạ và phản ứng loại nucleon: Nguyên lý phản ứng loại một proton $(p,2p)$ và loại một neutron $(p,pn)$ trong hệ động học nghịch.
• Phổ kế gamma in-beam và phân bố xung lượng: Mối liên hệ giữa độ rộng phân bố xung lượng ngang ($P_\bot$) và song song ($P_\parallel$) với mômen động lượng quỹ đạo $\ell$ của nucleon bị bứt ra ($\ell = 0$ cho sóng $s$ và $\ell = 2$ cho sóng $d$).
• Tổng quan các mô hình lý thuyết: Giới thiệu mô hình mẫu vỏ SDPF-MU, SDPF-MUs, các phương pháp ab initio GGF, VS-IMSRG, và các mô hình phản ứng TC, DWIA.

Chương 2: Thiết lập thực nghiệm chiến dịch SEASTAR lần thứ ba (The third SEASTAR campaign setup)

Chương 2 mô tả chi tiết tổ hợp thiết bị thực nghiệm được sử dụng trong chiến dịch SEASTAR3 tại RIBF RIKEN.

• Hệ thống máy gia tốc và máy phân tách BigRIPS: Cấu hình gồm máy gia tốc tuyến tính RILAC, các cyclotron RRC, fRC, IRC, SRC tạo chùm $^{70}\text{Zn}$ năng lượng $345\text{ MeV/nucleon}$. BigRIPS sử dụng phương pháp $B\rho - \Delta E - B\rho$ tại tầng 1 (F0-F2) và nhận diện hạt bằng $\text{TOF}-B\rho-\Delta E$ tại tầng 2 (F3-F7) thông qua các đầu dò PPAC, thanh nhấp nháy nhựa và buồng ion hóa TEGIC/MUSIC.
• Thiết bị bia MINOS và buồng TPC: Bia hydro lỏng PET dài $150\text{ mm}$ ở $20\text{ K}$, được bao quanh bởi buồng chiếu thời gian TPC (chiều dài $300\text{ mm}$, đường kính ngoài $178\text{ mm}$) chứa hỗn hợp khí $\text{Ar} (82%) + \text{CF}_4 (15%) + \text{iso-C}4\text{H}{10} (3%)$ dưới điện trường dịch chuyển $6\text{ kV}$. Đầu dò Micromegas gồm 4608 tấm cực thu nhận tín hiệu điện tử với điện trường khuếch đại $36\text{ kV/cm}$.
• Mảng đầu dò gamma DALI2+: Cấu hình gồm 226 tinh thể $\text{NaI(Tl)}$ chia làm 10 lớp, bao phủ góc khối từ $15^\circ$ đến $118^\circ$ quanh bia MINOS, ngưỡng năng lượng trung bình $\sim 50\text{ keV}$. Mô phỏng Geant4 cho thấy hiệu suất đỉnh toàn phần đạt $48%$ ở $500\text{ keV}$ và $34%$ ở $1\text{ MeV}$ (khi áp dụng add-back bán kính $15\text{ cm}$).
• Phổ kế từ SAMURAI: Gồm nam châm lưỡng cực siêu dẫn H-type tạo từ trường $2.7\text{ T}$ với góc quay $30^\circ$, hai buồng trôi chùm tia (BDC1, BDC2), hai buồng trôi phía trước (FDC1, FDC2), và mảng hodoscope gồm 24 thanh nhấp nháy nhựa (HODF24) để đo TOF và $\Delta E$ của các mảnh phản ứng.
• Hệ thu thập số liệu (DAQ): Kết hợp DAQ độc lập của MINOS làm phụ thuộc (slave) vào hệ DAQ chuẩn của RIBF, sử dụng khối điều khiển trigger GTO với trigger chùm tia (BEAM) làm trigger chính.

Chương 3: Phân tích số liệu và chuẩn hóa thực nghiệm (Data analysis)

Chương 3 trình bày quy trình xử lý số liệu thô, hiệu chuẩn thiết bị và phân tích phổ:

• Nhận diện hạt (PID) trong BigRIPS và SAMURAI: Chuẩn hóa các tham số đo thời gian bay TOF, độ cứng từ $B\rho$ và tổn hao năng lượng $\Delta E$, áp dụng các đường cắt loại trừ phông nền (background reduction gates) trên các phổ tương quan để phân tách rõ ràng chùm hạt tới $^{50}\text{Ar}$ và các hạt sản phẩm $^{49}\text{Cl}, ^{49}\text{Ar}$.
• Hiệu chuẩn bia MINOS và tái tạo đỉnh tương tác: Xác định vận tốc dịch chuyển điện tử $v_{drift}$ trong khí TPC cho từng lượt đo vật lý (run-by-run), xác định tọa độ đỉnh phản ứng $z_{vertex}$ dọc theo chiều dài bia ($z_{min}$ đến $z_{max}$) và tính toán phân bố vận tốc hạt trong bia.
• Hiệu chuẩn mảng DALI2+: Sử dụng các nguồn gamma chuẩn $^{60}\text{Co}, ^{88}\text{Y}, ^{137}\text{Cs}, ^{133}\text{Ba}$ tại các thời điểm trước, trong và sau thí nghiệm để hiệu chuẩn năng lượng và kiểm soát độ trôi khuếch đại của 226 tinh thể $\text{NaI(Tl)}$.
• Phân tích phổ tia gamma và hàm đáp ứng: Xây dựng hàm đáp ứng của mảng DALI2+ bằng mô phỏng Geant4, trừ phông bức xạ hãm (Bremsstrahlung) năng lượng thấp, khớp phổ thực nghiệm bằng tổ hợp các hàm đáp ứng mô phỏng kết hợp hàm phông hai số mũ.
• Kiểm chứng quy trình phân tích: Đối chuẩn quy trình phân tích thông qua hai phép đo tham chiếu đã biết là kênh $^{51}\text{K}(p,2p)^{50}\text{Ar}$ và $^{54}\text{Ca}(p,pn)^{53}\text{Ca}$.

Chương 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận (Results and Discussion)

Chương 4 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được và so sánh chi tiết với các mô hình lý thuyết:

1. Kênh phản ứng $^{50}\text{Ar}(p,2p)^{49}\text{Cl}$

• Phổ tia gamma và sơ đồ mức: Phổ gamma hiệu chỉnh Doppler của $^{49}\text{Cl}$ ghi nhận chuyển dời rõ rệt tại $350(6)\text{ keV}$ và chuyển dời ở $1165\text{ keV}$. Phân tích ma trận trùng phùng $\gamma - \gamma$ cho thấy sự trùng phùng giữa chuyển dời $1165\text{ keV}$ và $350\text{ keV}$, qua đó xác lập mức kích thích thứ hai tại $1515\text{ keV}$ phân rã theo chuỗi qua mức $350\text{ keV}$ về trạng thái cơ bản.
• Phân bố xung lượng và gán spin-parity: Phân bố xung lượng ngang ($P_\bot$) và song song ($P_\parallel$) đo được ở phổ kế SAMURAI khi trùng phùng với đỉnh $350\text{ keV}$ phù hợp với tính toán DWIA và TC cho sóng $s$ ($\ell = 0$), tương ứng với việc bứt một proton từ orbital $\pi 1s_{1/2}$. Do đó, mức kích thích $350\text{ keV}$ được xác định là $J^\pi = 1/2^+$.
• Phân bố xung lượng của trạng thái cơ bản phù hợp với sóng $d$ ($\ell = 2$), bứt một proton từ orbital $\pi 0d_{3/2}$, xác lập trạng thái cơ bản của $^{49}\text{Cl}$ có spin-parity $J^\pi = 3/2^+$. Mức kích thích tại $1515\text{ keV}$ được suy ra có $J^\pi = 5/2^+$ (tương ứng lỗ trống trên $\pi 0d_{5/2}$).
• Ý nghĩa vật lý: Kết quả khẳng định hiện tượng tái khôi phục spin trạng thái cơ bản $J^\pi = 3/2^+$ tại $N = 32$ trong chuỗi đồng vị clo, tương tự như quy luật đã quan sát thấy ở chuỗi kali ($^{51}\text{K}$).

Đồng vị	Mức năng lượng ($E_{exc}$)	Năng lượng gamma ($E_\gamma$)	Gán Spin-Parity ($J^\pi$)	Cấu hình đơn hạt chủ đạo
$^{49}\text{Cl}$	$0\text{ keV}$ (cơ bản)	—	$3/2^+$	Lỗ trống $\pi 0d_{3/2}$
$^{49}\text{Cl}$	$350(6)\text{ keV}$	$350\text{ keV}$	$1/2^+$	Lỗ trống $\pi 1s_{1/2}$
$^{49}\text{Cl}$	$1515\text{ keV}$	$1165\text{ keV}$ (cascade)	$5/2^+$	Lỗ trống $\pi 0d_{5/2}$
$^{49}\text{Ar}$	$0\text{ keV}$ (cơ bản)	—	$3/2^-$ (đề xuất)	Lỗ trống $\nu 1p_{3/2}$
$^{49}\text{Ar}$	$198\text{ keV}$	$198\text{ keV}$	$1/2^-$	Lỗ trống $\nu 1p_{1/2}$
$^{49}\text{Ar}$	$1050\text{ keV}$	$1050\text{ keV}$	$5/2^-$ (đề xuất)	Lỗ trống $\nu 0f_{5/2}$
$^{49}\text{Ar}$	$1340\text{ keV}$	$1340\text{ keV}$	$7/2^-$ (xác nhận)	Lỗ trống $\nu 0f_{7/2}$
$^{49}\text{Ar}$	$1466\text{ keV}$	$1266\text{ keV}$ / $1466\text{ keV}$	$3/2^-_2$ (đề xuất)	Cấu hình kích thích neutron

2. Kênh phản ứng $^{50}\text{Ar}(p,pn)^{49}\text{Ar}$

• Phổ tia gamma và sơ đồ mức: Quan sát thấy các chuyển dời gamma tại $198\text{ keV}$, $1050\text{ keV}$, $1266\text{ keV}$, $1340\text{ keV}$, và $1466\text{ keV}$. Phân tích ma trận trùng phùng $\gamma - \gamma$ khẳng định chuyển dời $1266\text{ keV}$ trùng phùng với đỉnh $198\text{ keV}$, xác lập mức kích thích tại $1466\text{ keV}$.
• Gán spin-parity: Phân bố xung lượng của chuyển dời $198\text{ keV}$ phù hợp với việc bứt neutron orbital $\nu 1p_{1/2}$ ($\ell = 1$), do đó mức $198\text{ keV}$ có $J^\pi = 1/2^-$, và trạng thái cơ bản của $^{49}\text{Ar}$ được đề xuất là $J^\pi = 3/2^-$ (lỗ trống $\nu 1p_{3/2}$). Chuyển dời tại $1340\text{ keV}$ được xác nhận có $J^\pi = 7/2^-$ (lỗ trống trên orbital $\nu 0f_{7/2}$ với $\ell = 3$). Hai trạng thái kích thích khác tại $1050\text{ keV}$ và $1466\text{ keV}$ được đề xuất lần lượt là $J^\pi = 5/2^-$ và $J^\pi = 3/2^-_2$.

3. Thảo luận cấu hình trạng thái cơ bản của $^{50}\text{Ar}$

• Khác với hạt nhân vỏ đóng kép $^{52}\text{Ca}$ có hàm sóng trạng thái cơ bản thuần nhất do cấu hình $\nu(p_{3/2}^4)$ chiếm ưu thế ($\sim 90%$), hàm sóng trạng thái cơ bản của $^{50}\text{Ar}$ ($Z = 18, N = 32$) có sự pha trộn cấu hình mạnh.
• Tính toán mẫu vỏ SDPF-MU chỉ ra các thành phần chính trong hàm sóng trạng thái cơ bản của $^{50}\text{Ar}$ gồm: $\pi(d_{5/2}^6 d_{3/2}^2 s_{1/2}^2) \otimes \nu(p_{3/2}^4)$ chiếm $33%$, $\pi(d_{5/2}^6 d_{3/2}^2 s_{1/2}^2) \otimes \nu(p_{3/2}^2 p_{1/2}^2)$ chiếm $10%$, và $\pi(d_{5/2}^6 d_{3/2}^4) \otimes \nu(p_{3/2}^4)$ chiếm $8%$. Kết quả này giải thích vì sao năng lượng trạng thái $2^+_1$ ở $^{50}\text{Ar}$ không phản ánh trực tiếp khoảng cách đơn hạt đơn thuần mà bị chi phối bởi hiệu ứng tập thể.

---

Kết quả và những đóng góp mới

1. Xác lập thực nghiệm sơ đồ mức và spin-parity của $^{49}\text{Cl}$:

   • Lần đầu tiên xây dựng sơ đồ mức kích thích của đồng vị giàu neutron $^{49}\text{Cl}$ ($Z = 17, N = 32$) qua phổ kế gamma tức thời và phân bố xung lượng.
   • Xác định spin-parity trạng thái cơ bản của $^{49}\text{Cl}$ là $J^\pi = 3/2^+$ và trạng thái kích thích đầu tiên tại $350(6)\text{ keV}$ là $J^\pi = 1/2^+$. Kết quả này khẳng định hiện tượng tái khôi phục spin trạng thái cơ bản tại $N = 32$ trong chuỗi đồng vị clo, tương ứng với việc orbital $\pi 0d_{3/2}$ trở lại làm orbital hóa trị.

2. Xác lập thực nghiệm cấu trúc mức của $^{49}\text{Ar}$:

   • Lần đầu tiên xây dựng sơ đồ mức kích thích của $^{49}\text{Ar}$ ($Z = 18, N = 31$), xác định trạng thái kích thích đầu tiên $198\text{ keV}$ ($J^\pi = 1/2^-$), mức $1340\text{ keV}$ ($J^\pi = 7/2^-$), trạng thái cơ bản đề xuất $J^\pi = 3/2^-$, cùng các mức kích thích tại $1050\text{ keV}$ ($5/2^-$) và $1466\text{ keV}$ ($3/2^-_2$).

3. Làm sáng tỏ cấu hình trạng thái cơ bản của $^{50}\text{Ar}$:

   • Định lượng yếu tố phổ và tiết diện phản ứng loại nucleon thực nghiệm, chỉ ra rằng trạng thái cơ bản của $^{50}\text{Ar}$ có cấu hình pha trộn phức tạp giữa các cấu hình proton $sd$ và neutron $pf$, khác biệt với tính đóng vỏ thuần nhất của đồng vị đẳng nơtron $^{52}\text{Ca}$.

4. Đối chuẩn và kiểm chứng các mô hình lý thuyết vi mô:

   • Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm chính xác để kiểm chứng các tính toán mẫu vỏ (SDPF-MU, SDPF-MUs) và các phương pháp ab initio hiện đại (VS-IMSRG, GGF). Các kết quả đo đạc đạt sự tương đồng cao với các dự đoán lý thuyết, tạo cơ sở thực nghiệm quan trọng để hoàn thiện các thế tương tác hạt nhân hiệu dụng và lực ba vật ($3\text{N}$).

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế thực nghiệm đối với kênh $^{47}\text{Cl}$: Do số liệu thống kê thu được từ kênh phản ứng $^{48}\text{Ar}(p,2p)^{47}\text{Cl}$ trong cùng chiến dịch đo còn thấp, luận án chưa thể đưa ra kết luận thực nghiệm dứt khoát về hiện tượng đảo spin ở đồng vị $^{47}\text{Cl}$ ($N = 30$).
• Độ phân giải và xác suất nhận diện: Quy trình hiệu chỉnh phụ thuộc vào việc xác định vận tốc trôi điện tử $v_{drift}$ trong khí TPC và độ chính xác tái tạo tọa độ đỉnh tương tác $z_{vertex}$ trong bia hydro lỏng dày $150\text{ mm}$.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo:
  • Thực hiện các phép đo với cường độ chùm thứ cấp cao hơn để thu thập đủ thống kê cho chuỗi đồng vị $^{47}\text{Cl}$, nhằm hoàn thiện bức tranh toàn diện về tiến hóa vỏ dọc theo toàn bộ chuỗi $Z = 17$.
  • Mở rộng nghiên cứu sang các đồng vị giàu neutron hơn nữa hướng tới ranh giới liên kết hạt nhân (drip line).
  • Tích hợp thêm số liệu từ các đầu dò neutron NeuLAND và NEBULA để phân tích các kênh phân rã neutron không liên kết từ các trạng thái kích thích cao.

---

Giá trị tham khảo

• Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Vật lý hạt nhân: Luận án là tài liệu tham khảo về quy trình phân tích số liệu thực nghiệm hiện đại trong hệ động học nghịch, bao gồm kỹ thuật nhận diện hạt $\text{TOF}-B\rho-\Delta E$, kỹ thuật tái tạo đỉnh tương tác bằng buồng TPC, và phương pháp phân tích phổ gamma Doppler kết hợp mô phỏng Geant4.
• Đối với các nhà nghiên cứu lý thuyết cấu trúc hạt nhân: Công trình cung cấp hệ thống số liệu thực nghiệm (mức năng lượng, spin-parity, tiết diện phản ứng, yếu tố phổ) phục vụ việc kiểm chứng và hiệu chỉnh các tương tác hiệu dụng trong mô hình mẫu vỏ cũng như các mô hình tính toán khởi thủy ab initio sử dụng tương tác chiral ba nucleon.
• Đối với các nhà vật lý thực nghiệm tại các trung tâm máy gia tốc: Cung cấp thông số vận hành và đánh giá hiệu năng của các thiết bị thực nghiệm hiện đại gồm mảng đầu dò DALI2+, thiết bị bia TPC MINOS và phổ kế từ SAMURAI.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Phản ứng loại bỏ một nucleon trong hệ động học nghịch là gì và tại sao lại được áp dụng trong nghiên cứu này?

Phản ứng loại bỏ một nucleon (quasi-free knockout reaction) trong hệ động học nghịch là quá trình chùm hạt nhân phóng xạ không bền ($^{50}\text{Ar}$) chuyển động ở năng lượng cao ($\sim 217\text{ MeV/nucleon}$) bắn phá vào bia đứng yên chứa các hạt nhân nhẹ (proton trong bia hydro lỏng $\text{LH}_2$). Phản ứng làm bứt một nucleon ra khỏi hạt nhân tới, để lại hạt nhân sản phẩm ($^{49}\text{Cl}$ hoặc $^{49}\text{Ar}$) tiếp tục bay về phía trước. Kỹ thuật này cho phép trích xuất thông tin về cấu trúc đơn hạt, năng lượng tách liên kết và mômen động lượng quỹ đạo $\ell$ của nucleon bị bứt từ các hạt nhân không bền có thời gian sống ngắn.

2. Thiết bị MINOS đóng vai trò gì trong việc nâng cao chất lượng phổ gamma tức thời?

Thiết bị MINOS bao gồm một bia hydro lỏng dài $150\text{ mm}$ (nhằm tăng tối đa số lượng phản ứng hạt nhân) được bao bọc bởi một buồng chiếu thời gian TPC. TPC theo dõi quỹ đạo của các proton giật lùi để tái tạo vị trí tương tác (đỉnh phản ứng) của hạt nhân bên trong bia với độ phân giải $\sim 4\text{ mm}$ FWHM. Thông tin vị trí này cho phép xác định chính xác vận tốc và góc phát xạ photon của mảnh phản ứng tại thời điểm phát gamma, giúp hiệu chỉnh dịch chuyển Doppler chuẩn xác hơn so với việc sử dụng bia thụ động thông thường.

3. Kết quả thực nghiệm về spin-parity của $^{49}\text{Cl}$ có ý nghĩa gì đối với lý thuyết cấu trúc hạt nhân?

Thực nghiệm xác định trạng thái cơ bản của $^{49}\text{Cl}$ ($N = 32$) có $J^\pi = 3/2^+$ và mức kích thích thứ nhất tại $350\text{ keV}$ có $J^\pi = 1/2^+$. Kết quả này khẳng định hiện tượng tái khôi phục spin trạng thái cơ bản $3/2^+$ tại $N = 32$ (tương tự như ở $^{51}\text{K}$), chứng minh sự trôi mức năng lượng tương đối giữa orbital $\pi 0d_{3/2}$ và $\pi 1s_{1/2}$ dưới ảnh hưởng của tương tác tensor khi điền đầy các phân lớp neutron $pf$.

4. Bằng chứng thực nghiệm nào cho thấy sóng hàm trạng thái cơ bản của $^{50}\text{Ar}$ là một trạng thái pha trộn cấu hình?

Bằng chứng được thể hiện qua việc đo đạc tiết diện phản ứng loại proton và neutron cùng sự phân bố các yếu tố phổ trong các hạt nhân con $^{49}\text{Cl}$ và $^{49}\text{Ar}$. Phân tích mẫu vỏ SDPF-MU cho thấy thành phần cấu hình chuẩn $\pi(d_{5/2}^6 d_{3/2}^2 s_{1/2}^2) \otimes \nu(p_{3/2}^4)$ chỉ chiếm khoảng $33%$ trong sóng hàm trạng thái cơ bản của $^{50}\text{Ar}$, phần còn lại là sự đóng góp của các cấu hình kích thích hạt - lỗ trống (2p-2h) như $\nu(p_{3/2}^2 p_{1/2}^2)$ ($10%$) và $\pi(d_{5/2}^6 d_{3/2}^4)$ ($8%$).

5. Sự khác biệt giữa hai mô hình tương tác SDPF-MU và SDPF-MUs trong việc mô tả chuỗi đồng vị clo là gì?

Tương tác SDPF-MU là tương tác hiệu dụng gốc trong không gian hóa trị $sd-pf$. Tương tác SDPF-MUs là phiên bản tinh chỉnh nhằm tái lập chính xác khoảng cách phân lớp $Z = 16$ ở các đồng vị $^{51,53}\text{K}$. Tuy nhiên, trong khi SDPF-MUs dự đoán trạng thái cơ bản của $^{49}\text{Cl}$ là $J^\pi = 1/2^+$, thì kết quả thực nghiệm trong luận án xác nhận $J^\pi = 3/2^+$, phù hợp với tính toán từ mô hình gốc SDPF-MU và các phương pháp ab initio VS-IMSRG.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Duy Linh đã hoàn thành việc khảo sát thực nghiệm cấu trúc vỏ của hai đồng vị giàu neutron $^{49}\text{Cl}$ và $^{49}\text{Ar}$ thông qua phản ứng loại một nucleon trong hệ động học nghịch tại tổ hợp máy gia tốc RIBF RIKEN. Công trình đã xây dựng sơ đồ mức kích thích đầu tiên, xác định spin-parity cho các mức năng lượng thấp và làm sáng tỏ hiện tượng tái khôi phục spin trạng thái cơ bản $J^\pi = 3/2^+$ ở $^{49}\text{Cl}$ cũng như tính chất pha trộn cấu hình trong trạng thái cơ bản của $^{50}\text{Ar}$. Hệ thống số liệu thực nghiệm tin cậy này đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng để kiểm chứng, chuẩn hóa các mô hình mẫu vỏ và các phương pháp tính toán vi mô ab initio hiện đại trong vật lý hạt nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.