Nghiên cứu sự đảo ngược spin

Tiểu ban B: Vật lý hạt nhân, Số liệu hạt nhân, Phân tích hạt nhân Máy gia tốc Section B: Nuclear physics, Nuclear data, Nuclear analysis and Accelerator NGHIÊN CỨU SỰ ĐẢO NGƯỢC SPIN CỦA TRẠNG THÁI CƠ BẢN TRONG ĐỒNG VỊ GIÀU NEUTRON 49CL INVESTIGATION OF THE GROUND-STATE SPIN INVERSION IN THE NEUTRON-RICH 49CL ISOTOPE B D LINH1, A CORSI2, A GILLIBERT2, A OBERTELLI2,3,4, P DOORNENBAL4, L.X CHUNG1, N T KHAI5, N D TON1 AND SEASTAR3 COLLABORATION Institute for Nuclear Science and Technology, 179 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Ha Noi Université Paris-Saclay, IRFU, CEA, F-91191 Gif-sur-Yvette, France RIKEN Nishina Center, 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198, Japan Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt, 64289 Darmstadt, Germany Vietnam Agency for Radiation and Nuclear Safety, 113 Tran Duy Hung, Cau Giay, Hanoi, Vietnam buiduylinh97@gmail.com Tóm Tắt: Lần phổ 49Cl thực cách sử dụng chùm đồng vị phóng xạ 50Ar lượng 217 MeV/nucleon bắn vào bia hydro lỏng thiết bị MINOS Các tia gamma tức thời đo hệ tinh thể NaI DALI2+ Thông qua phản ứng knockout proton 50Ar(p,2p), spin trạng thái kích thích nằm thấp 49Cl định nghĩa từ phân bố xung lượng ghi nhận phổ kế từ SAMURAI Spin – độ chẵn lẻ Jπ = 3/2+ gán cho trạng thái 49Cl, tương tự kết nghiên cứu đồng vị 51K có N = 32 Sự tiến hóa độ lệch lượng E(1/2+1) − E(3/2+1) so sánh với dự đoán lý thuyết đại Từ khóa: SEASTAR, SAMURAI, phân bố xung lượng, 49Cl, đảo ngược spin Abstract: The first spectroscopy of 49Cl was performed at the Radioactive Isotope Beam Factory with 50Ar projectiles at 217 MeV/nucleon, impinging on the liquid hydrogen target of the MINOS device Prompt de-excitation γ rays were measured with the NaI(Tl) array DALI2+ Through the one proton knockout reaction 50Ar(p,2p), a spin assignment could be determined for the low-lying states of 49Cl from the momentum distribution obtained with the SAMURAI spectrometer A spin-parity Jπ = 3/2+ is deduced for the ground state of 49Cl, similar to the recently studied N = 32 isotope 51K The evolution of the energy difference E(1/2+1) − E(3/2+1) is compared to state-of-the-art theoretical predictions Keyword: SEASTAR experiment, SAMURAI spectrometer, momentum distribution, 49Cl, spin inversion MỞ ĐẦU Cấu trúc hạt nhân bền mô tả mẫu vỏ đặc trưng mức lượng, tương tự cấu trúc vỏ electron nguyên tử Khi hạt nhân có số hạt proton neutron 2, 8, 20, 28, 50, … chúng đặc biệt bền vững so với hạt nhân lân cận số gọi số magic hạt nhân Các hạt nhân giàu proton neutron nằm xa vùng bền gọi hạt nhân lạ năm gần đây, nghiên cứu hạt nhân dần nhận quan tâm nhiều từ nhà khoa học, đặc biệt kể từ máy gia tốc đại tạo chùm đồng vị phóng xạ có cường độ lớn lượng cao Khi nghiên cứu hạt nhân lạ, nhà vật lý “quan sát” thấy tượng hạt nhân halo hay hạt nhân có “lớp da neutron” [1, 2], hạt nhân có “sự xâm nhập trạng thái” (intruder states) [3, 4] số “magic” Đặc biệt với hạt nhân xa vùng bền gần đường giới hạn proton neutron (tại lượng liên kết với nucleon xấp xỉ 0), nghiên cứu gần chứng minh biến số số “magic” cũ hay xuất số “magic” Các chứng thuyết phục như: biến số “magic” N =28 hạt nhân 42Si [6], xuất số “magic” N =14 hạt nhân 22O [7] hay N = 32, 34 quan sát đồng vị 52,54Ca [8, 9], xuất rõ ràng lớp vỏ đóng N=32 đồng vị bên hạt nhân “magic” Z=20 [10, 11] Trong chuỗi đồng vị K (Z=19), đồng vị bền 39K với lớp vỏ proton sd xác định có cấu hình Jπ = 3/2+ cho trạng thái Jπ = 1/2+ cho trạng thái kích thích Các cấu hình tương ứng với lỗ proton obitan π1s1/2 π0d3/2 [12] Khi mở rộng phạm vi nghiên cứu, nghiên cứu quan sát thấy lượng mức 1/2+ giảm dần số neutron tăng từ 20 đến 30 [13] Bằng chứng rõ ràng tìm thấy đồng vị K có N = 28, 30: J π = 1/2+ nằm trạng thái bản, trạng thái kích thích chúng có Jπ = 3/2+ Hiệu ứng thường gọi hiệu ứng đảo ngược lớp vỏ (shell inversion) đảo ngược spin (spin inversion) Mặc dù vậy, công bố gần 51,53K [14], đảo ngược không tồn tại, trạng thái hai đồng vị lại quay J π = 3/2+ Hiện tượng 137 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 gọi phục hồi đảo ngược (re-inversion) Khi nghiên cứu đồng vị Cl, nhà khoa học quan sát thấy tượng đảo ngược đồng vị 45Cl [15] với N = 28, Jπ = 1/2+ nằm trạng thái Hiện tại, chưa có số liệu nghiên cứu hạt nhân 47,49Cl với N = 30, 32 công bố Vì vậy, số liệu thực nghiệm hai đồng vị Cl quan tâm Trong mô hình mẫu vỏ, đồng vị 50Ar có 10 proton lớp vỏ hóa trị sd với obitan π0d5/2, π1s1/2 π0d3/2 Sau phản ứng knockout protron, trạng thái chẵn lẻ dương đồng vị 49Cl chứa phần lớn chồng chập cấu hình lỗ proton (proton-hole) π(1s1/2)-1 π(0d3/2)-1 Vị trí tương đối hai obitan hóa trị nhạy cảm với tương tác proton-neutron, kết phân tích loại phản ứng (knockout) cho phép khẳng định spin/tính chẵn lẻ trạng thái đồng vị cần quan tâm Một nghiên cứu tương tự thực với đồng vị 51K [14] để chứng minh vị trí trạng thái spin 1/2+ 3/2+[14] Trong báo cáo này, lần phổ gamma đồng vị 49Cl sử dụng phản ứng knockout proton kết phân tích số liệu thực nghiệm trình bày Bên cạnh đó, nhóm thảo luận đảo ngược đồng vị dựa tính tốn đại Ngồi ra, chi tiết thí nghiệm đo đồng vị báo cáo THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Sơ đồ bố trí thí nghiệm Dự án “Shell Evolution and Systematic Search for Two-plus Energies at RIBF” (viết tắt SEASTAR) có mục đích nghiên cứu trạng thái kích thích thơng qua việc đo đạc lượng gamma phát xạ hạt nhân giàu neutron từ 47Cl đến 110Zr [16] Các thí nghiệm SEASTAR lần thứ (gọi tắt SEASTAR3) tập trung đo hạt nhân vùng từ 47Cl đến 63V Do đó, thiết lập tham số BigRIPS dựa theo “setting 53K” để hội tụ đồng vị 53K vào trung tâm Hệ thống gia tốc RIBF [17] gia tốc chùm sơ cấp 70Zn đến lượng 345 MeV/u với cường độ 250 pnA bắn vào bia sơ cấp 9Be đặt vị trí lối vào hệ thống phân tách chùm hạt BigRIPS Phản ứng phân mảnh chùm hạt tới bia Hình Bố trí thí nghiệm SAMURAI thí nghiệm SEASTAR3 Chi tiết trình bày văn Hình ảnh sửa đổi từ trích dẫn [23] Be tạo sản phẩm hỗn hợp đồng vị giàu neutron Các mảnh vỡ hỗn hợp hệ phân tách hạt BigRIPS nhận diện phương pháp TOF-Bρ-ΔE [17] dẫn chúng tới bia phản ứng thứ cấp đặt sau vị trí F13 (hình 1) hệ phổ kế từ SAMURAI Vị trí F13 có đặt detector nhấp nháy SBT [18] để cắt ngưỡng, cho phép đo thời gian hạt SAMURAI Tại vị trí này, hạt nhân tới từ BigRIPS có lượng cỡ 200-270 MeV/nucleon theo dõi vị trí detector BDC1 & BDC2 [18], trước xảy phản ứng loại bỏ (knock-out) vài nucleon với bia proton dày 150 mm, chế tạo dạng hydro lỏng (LH2) thiết bị MINOS [19], để tạo chùm hạt hỗn hợp gồm nhiều hạt nhân sản phẩm Thiết bị MINOS có khả theo dõi quỹ đạo bay proton phát từ phản ứng xảy bia H2 lỏng để xác định vị trí phản ứng Các tia gamma tức thời phát từ hạt nhân sản phẩm sau phản 138 Tiểu ban B: Vật lý hạt nhân, Số liệu hạt nhân, Phân tích hạt nhân Máy gia tốc Section B: Nuclear physics, Nuclear data, Nuclear analysis and Accelerator ứng đo hệ detector nhấp nháy DALI2+ [20, 21] bố trí xung quanh MINOS Hệ detector đo tia gamma bao gồm 226 tinh thể NaI có hiệu suất ghi ~ 26% với tia gamma có lượng MeV góc ghi đo xấp xỉ 4π Các hạt nhân sản phẩm sau phản ứng knock-out phân tách di chuyển buồng chân không nam châm siêu dẫn (SAMURAI Magnet) Các hạt neutron khơng tích điện có đường bay thẳng đo hệ NEBULA [18] NeuLAND [22] quỹ đạo bay hạt có điện tích bị bẻ cong đo hệ detector FDC1 FDC2 [18], độ lượng thời gian bay đo detector HODOF24 [18] Mô tả hệ thống đo đạc, ghi nhân hạt sản phẩm thể hình 1, minh họa với 49Cl KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình Kết nhận diện hạt dựa tỉ số A/Q số khối Z Bên trái kết nhận diện hạt BigRIPS, đồng vị 50Ar khoanh vùng màu đỏ Bên phải kết nhận diện hạt phổ kế từ SAMURAI, đồng vị 49Cl đánh dấu vùng màu đỏ Trong thí nghiệm, đồng vị 50Ar cường độ 2.9 hạt/giây Năng lượng đồng vị lối vào lối bia LH2 tương ứng 247 MeV/nucleon 184 MeV/nucleon Dựa vào phương pháp TOF-BρΔE [17], vùng đồng vị 50Ar nhận diện vùng khoanh đỏ hình bên trái, cịn đồng vị 49Cl vùng hạt nhân khoanh đỏ hình bên phải Độ phân giải 50Ar (49Cl) thu 0,057% (0,247%) A/Q 0,865% (0,726%) Hiệu suất truyền qua phản ứng 50Ar(p,2p)49Cl ghi nhận 49,1(4)% Hình Phổ gamma sau hiệu chỉnh Doppler từ phản ứng 50Ar(p,2p)49Cl tất gamma đo Số liệu thực nghiệm (các điểm) khớp hàm tổng cộng (đường liền màu đen) hàm mô đáp ứng DALI2+ (đường liền màu đỏ) với lượng khác hàm phông (đường nét đứt màu đỏ) có dạng tổng hai hàm mũ Các hạt nhân 49Cl phát xạ gamma bay với vận tốc xấp xỉ 0.6 vận tốc ánh sáng Do đó, để thu lượng xác tia gamma này, hiệu chỉnh Doppler cần thực Quá trình hiệu 139 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 chỉnh phổ lượng thực thơng qua việc sử dụng vị trí phản ứng kết hợp với tốc 49Cl Việc xây dựng lại vị trí phản ứng (p,2p) dựa proton đo thiết bị MINOS [24] với hiệu suất ghi đo trường hợp 89(1)% Bên cạnh đó, tỉ số đỉnh tổng phổ hiệu suất ghi đo gamma cải thiện cách thực hiệu chỉnh add-back Dựa nguyên lý hiệu chỉnh này, lượng gamma chuyển dịch lượng tổng cộng tia gamma lớn tia gamma xung quanh 15 cm DALI2+ Để giảm đóng góp phơng lượng thấp, phép đo đặt ngưỡng ghi nhận 100 keV Phổ gamma thu sau hiệu chỉnh làm khớp cách sử dụng hàm tổng bao gồm hàm đáp ứng DALI2+ với đỉnh lượng (mô phỏng) hàm phông nền: hàm mô cho lượng chuyển dịch tạo cách sử dụng chương trình mơ lại thí nghiệm Geant4 [25] phần phông tạo nên từ hai hàm mũ [26-28] Hình kết khớp phổ thực nghiệm 49Cl với hàm đáp ứng chuyển dịch lượng 350(6) keV, 630(15) keV, 970(27) keV 1515(32) keV hàm phơng có dạng hai hàm mũ Các dịch chuyển dịch chuyển tức thời Kết phân tích độ tin cậy (confidence level) đỉnh bao gồm: đỉnh 350 keV 1515 keV xác nhận đỉnh dịch chuyển với độ tin cậy 7σ 5,5σ; khi, 630 keV 970 keV có độ tin cậy tương ứng 3σ 3,5σ cho thấy dấu hiệu tin cậy đỉnh dịch chuyển Hình Phổ trùng phùng gamma-gamma trùng phùng với đỉnh lượng 350 keV Các ký hiệu trình bày giống hình Theo phân tích trùng phùng gamma-gamma, hai đỉnh 350 keV 630 keV hai đỉnh trùng phùng với Hình biểu diễn phổ phùng phùng với đỉnh 350 keV, phổ khớp hàm với chuyển dịch đỉnh 630 keV hàm phông Kết phân tích độ tin cậy thu cho chuyển dịch 5σ Năng lượng tổng gamma nối tầng 980 keV gần với 970 keV Do độ phân giải DALI2+ nên nhóm khơng thể kết luận đỉnh kép xung quanh 970 keV đỉnh đơn có phân rã nối tầng phân rã trực tiếp trạng thái Các trạng thái lại phân rã trực tiếp trạng thái Bảng Spin, lượng kích thích (E), hệ số phổ (C2S) tiết diện (σ) mức trạng thái 49Cl thí nghiệm lý thuyết: thí nghiệm sử dụng phản ứng loại bỏ proton 50Ar(p,2p) so sánh với tính tốn lý thuyết mẫu vỏ sử dụng tương tác SDPF-MU IMSRG Σσexi tổng tiết diện trạng thái phương pháp lý thuyết Incl tiết diện tồn phần thu từ thí nghiệm Trạng thái 3/2+1 1/2+1 Exp Eexp (keV) gs 350(6) σexp (mb) (Trong phân tích Bayesian, giá trị hệ số Bayes – B10 cung cấp chứng định (decisive evidence) cho mơ hình so sánh với mơ hình khác log10(B10) chúng lớn 2) Dựa phân tích phân bố động lượng, nhóm khẳng định trạng thái có Jπ = 3/2+ trạng thái kích thích (350 keV) có Jπ = 1/2+ tính toán SPDFMU IMSRG Như vậy, đồng vị 49Cl có phục hồi spin so với đồng vị 45Cl Hình 10 Phân bố động lượng 49Cl đo phổ kế từ SAMURAI: a) PMD chùm hạt 50Ar không phản ứng (đường nét đứt) phản ứng 50Ar(p,2p)49Cl (các điểm tròn); b) PMD trùng phùng với chuyển dịch 350 keV; c) PMD trùng phùng với trạng thái bản; d) TMD trùng phùng với chuyển dịch 350 keV; e) TMD trùng phùng với trạng thái Kết thí nghiệm (điểm màu đen) so sánh với lý thuyết tính theo phương pháp TC DWIA sử dụng hàm sóng l=0 l=2 KẾT LUẬN Báo cáo giới thiệu tổng quát bố trí thí nghiệm SEASTAR3 sử dụng phổ kế từ có độ xác cao SAMURAI phổ gamma 49Cl từ phản ứng (p,2p) Bốn đỉnh phổ quan sát phổ gamma Trong đó, nhóm khẳng định chuyển dịch có lượng 350 keV 1515 keV, hai đỉnh phổ lại lượng 630 keV 970 keV có dấu hiệu mạnh mẽ chuyển dịch Các kết phân tích phổ gamma so sánh với tính tốn đại để xây dựng sơ đồ mức kích thích cho hạt nhân Ngồi ra, phân tích phân bố động lượng khẳng định trạng thái có Jπ = 3/2+ trạng thái kích thích (350 keV) có Jπ = 1/2+ Điều cho phép kết luận phục hồi spin đồng vị chuỗi Cl Các tác giả Việt Nam xin cám ơn VINATOM Bộ KH&CN hỗ trợ thực nghiên cứu thông qua đề tài mã số ÐTCB.01/21/VKHKTHN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I Tanihata, J Phys G 22, (1996), 157, and references therein [2] L X Chung, et al., Physical Review C 92, 034608 (2015) [3] S D Pain, et al., Phys Rev Lett 96, 032502 (2006) 142 Tiểu ban B: Vật lý hạt nhân, Số liệu hạt nhân, Phân tích hạt nhân Máy gia tốc Section B: Nuclear physics, Nuclear data, Nuclear analysis and Accelerator [4] Le Xuan Chung, et al., Physics Letters B 774, 559–563 (2017) [5] O Sorlin, et al., Progress in Particle and Nuclear Physics 61, Issue 2, 602-673 (2008) [6] B Bastin, et al., Phys Rev Lett 99, 022503 (2007) [7] E Becheva, et al., Phys Rev Lett 96, 012501 (2006) [8] F Wienholtz, et al., Nature 498, 346 (2013) [9] D Steppenbeck, et al., Nature 502, 207–210 (2013) [10] D Steppenbeck, et al., Phys Rev Lett 114, 252501 (2015) [11] M Rosenbusch, et al., Phys Rev Lett 114, 202501 (2015) [12] P Doll, et al., Nuclear Physics A 263, 210 (1976) [13] J Papuga, et al., Phys Rev Lett 110, 172503 (2013) [14] Y Sun, et al., Phys Lett B 802, 135215 (2020) [15] L A Riley, Phys Rev C 86, 047301 (2012) [16] P Doornenbal and A Obertelli, RIKEN proposal for scientific program: Shell evolution and search for two-plus stats at the RIBF (SEASTAR) (2013), - Unpublished [17] B D Linh, et al., Nuclear Science and Technology, Vol.7, No 2, pp 01-07 (2017) [18] T Kobayashi, et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 317, 294–304 (2013) [19] A Obertelli, et al., Eur Jour Phys A 50, (2014) [20] I Murray, et al., RIKEN Accelerator Progress Report, vol 51, p 158 (2018) [21] S Takeuchi, et al, Nucl Instrum and Methods in Phys Res Sect A, 763-596 (2014) [22] https://www.gsi.de/neuland/ [23] Z Yang, et al., Recent Progress in Few-Body Physics, pp 529–534 Germany: Springer, 01 2020 [24] C Santamaria, et al., Nucl Instrum Methods Phys Res A 905, 138 (2018) [25] S Agostinelli, et al., Nucl Instrum Methods Phys Res A 506, 250 (2003) [26] C Santamaria, et al., Phys Rev Lett 115, 192501 (2015) [27] I Murray, et al., Phys Rev C 99, 011302(R) (2019) [28] H Liu, et al., Phys Lett B 767, 58 (2017) [29] N Shimizu, et al., Comput Phys Commun 244, 372 (2019) [30] Y Utsuno, et al., Phys Rev C 86, 051301(R) (2012) [31] S R Stroberg, et al., Annu Rev Nucl Part Sci 69, 307 (2019) [32] S K Bogner, et al., Phys Rev Lett 113, 142501 (2014) [33] S R Stroberg, et al., Phys Rev C 93, 051301(R) (2016) [34] K Hebeler, et al., Phys Rev C 83, 031301(R) (2011) [35] N Paul, et al., Phys Rev Lett 122, 162503 (2019) [36] A M Moro, Phys Rev C 92, 044605 (2015) [37] T Aumann, C A Bertulani, and J Ryckebusch, Phys Rev C 88, 064610 (2013) [38] T Wakasa, K Ogata, and T Noro, Prog Part Nucl Phys 96, 32 (2017) [39] R E Kass and A E Raftery, J Am Stat Assoc 90, 773 (1995) 143