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[.]
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 THROUGH ONE-NUCLEON REMOVAL 50 Ar(p,2p) AND 50 Ar(p,pn) REACTIONS PhD THESIS IN PHYSICS Hanoi - 2022 49 Ar 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 đồng vị giàu neutron 49 Cl 49 Ar thông qua phản ứng loại nucleon 50 Ar(p,2p) 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 hạt nhân Major Code: 9.44.01.06 Mã số: 9.44.01.06 SUPERVISORS: Người hướng dẫn: Assoc Prof Dr Nguyễn Tuấn Khải Dr Alain Gillibert Hanoi - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tơi, Bùi Duy Linh, cam đoan cơng trình nghiên cứu "Nghiên cứu cấu trúc vỏ đồng vị giàu neutron 50 Ar(p,pn)" 49 Cl 49 Ar thông qua phản ứng loại nucleon (tên tiếng anh: "Study on the shell structure of the neutron-rich through one neutron removal 50 Ar(p,2p) and 50 Ar(p,pn) 50 Ar(p,2p) 49 Cl and 49 Ar reactions") cơng trình nghiên cứu riêng Những phần luận án tham khảo từ cơng bố trước trích dẫn ghi nguồn rõ ràng Ngồi phần trích dẫn đó, luận án tồn cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án lấy từ phân tích số liệu thực nghiệm trích dẫn từ số cơng bố có tham gia trực tiếp cộng Các số liệu, kết trung thực chưa công bố 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 In 1949, M Goeppert-Mayer and the research group of O Haxel, J Jensen, and H 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 Beam Factory with 50 Ar 49 Cl and 49 Ar was performed at the Radioactive Isotope 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 spectrometer 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− , 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 hệ bị chi phối lực hạt nhân học tượng tử, chứng cấu trúc vỏ nucleon Năm 1949, nhà vật lý M Goeppert-Mayer nhóm nghiên cứu O Haxel, J Jensen, H Suess độc lập cơng bố kết thí nghiệm quan sát lượng (khoảng cách lượng) hai lớp vỏ Các hạt nhân điền đầy lớp vỏ (được gọi lớp vỏ đóng) proton neutron gọi hạt nhân magic có hình dạng cầu Số magic hạt nhân bền 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 Các hạt nhân có số magic bền đồng vị bên cạnh, điều có nghĩa lượng kích thích để đưa nucleon lên lớp vỏ chúng lớn đáng kể so với hạt nhân “láng giềng” Đặc điểm dùng để tìm kiếm hạt nhân có số magic nằm xa vùng bền β Tuy nhiên, nghiên cứu gần hạt nhân lạ nằm xa vùng bền khám phá số magic thơng thường (8, 20, 28, 50, 82, 126) bị thay đổi, số đồng vị xuất số magic (14, 32, 34) Bằng chứng cho thay đổi lớp vỏ hạt nhân (sự tiến hóa lớp vỏ hạt nhân) tìm thấy số magic N = 32, 34 trạng thái 50 Ar 52,54 Ca lớp vỏ đóng N = 32 (Z = 18, N = 32) cấu trúc lớp vỏ 49 Ar 50 Ar Đặc trưng (Z = 18, N = 31) quan tâm kỳ vọng mang lại thông tin cần thiết di trú lớp neutron pf bên Ca Song song với thay đổi cấu trúc lớp vỏ neutron, điền thêm neutron vào vài chuỗi đồng vị dẫn đến biến đổi quỹ đạo proton Trong chuỗi đồng vị K với N = 20 đến 28, kết thí nghiệm xác nhận đảo ngược spin J π = 3/2+ trạng thái J π = 1/2+ trạng thái kích thích đầu tiên, tương ứng với lỗ trống quỹ đạo 0d3/2 1s1/2 Một dự đoán từ mẫu vỏ tượng tương tự xảy chuỗi đồng vị Cl 49 Cl (Z = 17, N = 32) đối tượng nghiên cứu cho tiến hóa lớp vỏ neutron proton chuỗi đồng vị Trong luận án này, cấu trúc vỏ đồng vị 49 Cl 49 Ar nghiên cứu thông qua phổ gamma tức thời phân bố xung lượng kết hợp với tính tốn lý thuyết Lần phản ứng loại nucleon 50 Ar(p,2p)49 Cl 50 Ar(p,pn)49 Ar bia hydro lỏng thực 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 sản phẩm phản ứng phân mảnh chùm sơ cấp 70 Zn bia Be lượng 345 MeV/nucleon 50 Ar nhận diện phổ kế từ BigRIPS phương pháp đo TOF-Bρ-∆E trước tới bia phản ứng thiết bị MINOS Bia hyđrơ 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 proton phản ứng, thông tin quỹ đạo sử dụng để xây dựng lại vị trí phản ứng bia Các tia gamma tức iv thời phát đường bay 49 Cl 49 Ar đo hệ đo DALI2+ Với thiết kế 226 tinh thể NaI(Tl) xếp bao quanh MINOS, DALI2+ đo góc ≈ 4π Các hạt sản phẩm 49 Cl 49 Ar nhận diện phổ kế từ SAMURAI dựa phương pháp đo TOF-Bρ-∆E Bên cạnh đó, phổ kế từ SAMURAI cho phép đo đạc thông số dùng để phân tích phân bố xung lượng hạt sản phẩm Sau thực hiệu chuẩn hiệu chỉnh lại thông số cần thiết cho số liệu thô để thu kết nhận diện hạt tốt nhất, quy trình phân tích phổ gamma, phân bố xung lượng cho phép xây dựng sơ đồ mức kích thích, tính tốn tiết diện ứng loại bỏ proton 50 Ar(p,2p), 49 Cl 49 Ar Thông qua phản spin độ chẵn lẻ J π = 3/2+ gán cho trạng thái bản, tương tự kết nghiên cứu đồng vị 51 K với N = 32 Trạng thái kích thích 350 keV định J π = 1/2+ , khi, trạng thái kích thích 1515 keV suy J π = 5/2+ Đối với phản ứng loại bỏ neutron lẻ dự kiến xác định cho trạng thái thấp 49 Ar 50 Ar(p,pn), spin độ chẵn Spin độ chẵn lẻ J π = 3/2− đề xuất cho trạng thái bản, đó, trạng thái kích thích 198 keV có J π = 1/2− Trạng thái kích thích 1340 keV xác nhận J π = 7/2− Thêm vào đó, hai trạng thái kích thích 1050 keV 1466 keV đề xuất J π = 5/2− J π = 3/2− Bên cạnh đó, cấu hình trạng thái đồng vị 50 Ar dựa phản ứng loại bỏ nucleon thảo luận Các kết nghiên cứu tiến hóa cấu trúc lớp vỏ 49 Cl 49 Ar so sánh với dự đốn lý thuyết đại Các tính tốn bao gồm tính tốn mơ hình mẫu vỏ sử dụng tương tác SDPF-MU phương pháp ab initio; tính tốn mơ hình phản ứng sử dụng phương pháp chuyển continuum (TC: the transfer to continuum method) xấp xỉ xung sóng méo (DWIA: distorted wave impulse-approximation) Các kết thực nghiệm luận án tương đồng với tiên đoán lý thuyết sở để phát triển mẫu tính tốn có độ xác cao v Acknowledgements I would like to express my sincere gratitude to all the persons concerned, without whom this work could not be completed First of all, I would like to express my most profound appreciation to my supervisor: Assoc Prof Dr Nguyen Tuan Khai and Dr Alain Gillibert Thank you for providing the guidance, understanding, continuous motivation, helping solve all the problems, and having the patience to see me to complete my Ph.D thesis successfully I would like to convey a special thank to Dr Sidong Chen (HK University), Dr Anna Corsi (CEA Saclay), N T T Phuc (VNU-HCM, Vietnam) for many valuable scientific discussions I would like to thank Dr Pieter Doornenbal (RIKEN) and Prof Dr Alexandre Obertelli (TU Darmstadt) (spokespersons of the SEASTAR project) for providing the opportunity to analyze the excellent experimental data of the exotic isotopes of this thesis I am grateful to N T T Phuc (VNU-HCM, Vietnam), K Ogata (RCNP, Japan), M Gómez-Ramos (Universidad de Sevilla), and A Moro (Universidad de Sevilla), N Shimizu (University of Tokyo), Y Utsuno (Japan Atomic Energy Agency), V Soma (CEA Saclay), and D Holt (TRIUMF) for their theoretical calculations Besides, I would like to thank all SEASTAR project collaborators for their contribution to the successful experiment I am grateful to the referees and committee members for their comments and participation in my thesis defense I appreciate all members of the Nuclear Physics Center (INST) and Nuclear Training Center (VINATOM) for providing help to me in the Ph.D student period I would like to extend my sincere thanks to VINATOM, CEA Saclay, and RIBF RIKEN for supporting exchange trips in France and Japan I want to express my thankfulness towards my family, who pushed me for the Ph.D Thank you for always being right there with me, listening, and for your faith in me vi Table of Contents Abbreviations ix List of Figures xi List of Tables xvi Introduction 1.1 Shell evolution N = 32 1.2 Experimental Technique 1.2.1 Radioactive ion beam 1.2.2 In-beam γ-ray spectroscopy 1.2.3 Momentum distribution 1.3 Theoretical calculations 1.3.1 Nuclear structure calculations 1.3.2 Reaction-model Calculations 1.3.3 The state-of-the-art theoretical calculations The third SEASTAR campaign setup 2.1 Acceleration of a 53 K primary beam 2.2 BigRIPS separator 2.2.1 BigRIPS overview 2.2.2 BigRIPS beam-line detectors 2.3 SAMURAI setup 2.3.1 The MINOS device - Secondary 2.3.2 DALI2+ array 2.3.3 SAMURAI spectrometer 2.4 Data acquisition system 2.5 Summary of data 6 10 10 10 11 14 14 15 15 16 18 19 22 23 27 28 Data analysis 3.1 Particle identification 3.1.1 Particle identification method 3.1.2 Particle identification in BigRIPS 3.1.3 Particle identification in SAMURAI 3.2 Calibration for the secondary reactions 3.2.1 DALI2+ calibration 3.2.2 MINOS calibration 3.3 Doppler correction 3.4 Gamma spectrum analysis 3.4.1 Geant4 simulation 3.4.2 Bremsstrahlung subtraction 3.4.3 Fitting 3.4.4 Test case of (p,2p) and (p,pn) channels 30 30 30 31 35 48 48 53 56 59 59 60 61 62 target vii TABLE OF CONTENTS 3.5 Cross sections 3.5.1 Inclusive cross-section 3.5.2 Exclusive cross-section Results and Discussion 4.1 50 Ar(p,2p)49 Cl channel 4.1.1 Energy spectrum 4.1.2 Gamma-gamma coincidences 4.1.3 Momentum distribution 4.1.4 Discussion 4.2 50 Ar(p,pn)49 Ar channel 4.2.1 Energy spectrum 4.2.2 Gamma-gamma coincidences 4.2.3 Momentum distribution 4.2.4 Discussion 66 66 66 68 68 68 70 73 74 80 81 82 84 85 Conclusion and future perspectives 95 References 97 viii ... cơng bố có tham gia trực tiếp cộng Các số liệu, kết trung thực chưa công bố khác Tác giả luận án Bùi Duy Linh i Abstract The atomic nucleus is a dominated by the system by nuclear forces and quantum... fRC Fixed-frequency Ring Cyclotron FWHM Full-Width Half-Maximum GGF Gorkov self-consistent Green’s function gs ground state HODF Hodoscopes for fragment ISOL The isotope separation on-line IRC... along the X-axis (c) and Y-axis (d) for BDC2 The correlation between the atomic number (Z) versus mass-to-charge ratio (A/Q) of Hodo bar with ID = 8, 9, 10, 11 before re-calibration