Nuclear Structure evolution far from stability: study of 74Ni collectivity by Coulomb excitation

In recent years the availability of neutron-rich radioactive ion beams has allowed to explore new regions of the nuclear chart. Despite the most exotic nuclei have been produced with quite low intensities, new interesting results have revealed an evolution of the nuclear structure far from the valley of stability. Some of the well established fundamental properties of the uclear models, like the magic numbers, had to be reviewed in the light of new experimental observations: new features have been included in nuclear models in order to reproduce experimental data. It was recently shown, indeed, that tensor and three-body forces play an important role in breaking and creating magic numbers. One region of particular interest is the neutron-rich tail of the Ni isotopic chain. For instance the 78Ni nucleus corresponds to a double shell closure and is characterized by a large neutron excess. Some models predict that at this N/Z ratio one could expect an increase of the proton-neutron interaction strength that would modify the relative energies of the single particle states, thus reducing the Z = 28 energy gap. In such a scenario, particle-hole excitations should be strongly increased, driving to enhanced collectivity. The determination of the B(E2) values of the low-lying transitions is therefore very important to measure these features and to cons train the interaction used for the shell model calculations. In this thesis we present the measurement of the B(E2; 0+ ! 2+) transition matrix element for the first 2+ state of the 74Ni nucleus. This was done in an intermediate-energy Coulomb excitation experiment performed at NSCL (MSU) where the Coulomb excitation cross section 0+!2+ was measured, allowing to extract the B(E2 ") value. To date, 74Ni is the most xotic Ni isotope produced with enough intensity to be used as a beam for spectroscopic studies. The 74Ni beam has been produced by fragmentation of a primary 86Kr beam at 140 AMeV on a 9Be target. The primary beam was provided by the Coupled Cyclotron Facility of the NSCL and the production reaction fragments were analyzed using the A1900 fragment separator. As a matter of fact, this setup produced a secondary ”cocktailbeam“ containing 74Ni ions with an intensity of ~ 1 pps as well as higher intensity 77Zn and 75Cu fragments. An 197Au foil was used as secondary target. The scattered ions were identified by the focal plane detectors of the S800 spectrograph and coincidence gamma-rays emitted by Coulomb excited ions were detected by the 4pi CAESAR array. The results emerging from the data analysis show a different behavior with respect to the expectations. This finding opens new scenarios in the nterpretation of the shell evolution of the Z=28 isotopes. The thesis has been organized as follows: the basic concepts concerning Nuclear Structure studies far from stability and the radioactive ion beams production are introduced in chapter 1. In chapter 2 the fundamental theoretical models of Coulomb excitation are presented. In chapters 3 and 4 are respectively described the experimental setup and the data analysis of the Coulomb excitation experiment. The final results are discussed in the last section. Considerations on possible interpretation of Ni shell evolution will be presented together with some outlooks.

Negli ultimi anni lo sviluppo di infrastrutture per la produzione di fasci di nuclei instabili (radioattivi) ha permesso di esplorare nuove regioni della carta dei nuclidi, lontano dalla valle di stabilità. Nonostante le tecnologie attuali non permettano di produrre fasci esotici di intensità paragonabili a quelle dei fasci stabili, varie informazioni sulla struttura nucleare lontano dalla valle di stabilità sono già state ottenute. Si è osservato, ad esempio, che proprietà ben assodate come la chiusura di shell in corrispondenza di determinati numeri magici e l’ordinamento delle shell previsto dai modelli tradizionali, non sono più valide in presenza di una forte asimemtria di isospin. La formazione di aloni neutronici e la comparsa di nuovi numeri magici a discapito di quelli tradizionali sono due esempi del nuovo panorama che sta emergendo. Quando ci si allontana dalle regioni per le quali sono stati sviluppati ed ottimizzati, i modelli tradizionali non riescono più a descrivere in maniera appropriata la struttura nucleare. In questo contesto si rendono necessari termini correttivi tra i quali le interazioni di tipo tensoriale e le forze a tre corpi si sono dimostrate di particolare efficacia. Una regione interessante è rappresentata dalla parte ricca di eutroni della catena isotopica del Nichel, in particolare nelle vicinanze del 78Ni. Secondo lo sviluppo tradizionale delle shell nucleari, questo nucleo presenta una doppia chisura di shell (Z=28, N=50). Tuttavia, alcuni nuovi modelli prevedono che con questo rapporto N/Z ci si debba attendere un incremento dell’interazione neutrone-protone tale da modificare le energie relative dei livelli di particella singola, riducendo il gap della shell protonica. In questa situazione le eccitazioni particella-buco dovrebbero essere maggiormente favorite e presentare un comportamento fortemente collettivo. L’andamento degli elementi di matrice ridotti (B(E2)) delle transizioni dei livelli eccitati più bassi di questi nuclei rappresenta uno degli indicatori più importanti per validare le ipotesi fatte e fornire informazioni quantitative per lo sviluppo di modelli nucleari appropriati. In questo lavoro di tesi verrà descritto l’esperimento per la isura della B(E2; 0+ 2+) del primo livello eccitato (2+) del nucleo 74Ni tramite la misura della sezione d’urto di eccitazione coulombiana ad energie intermedie. Tale nucleo risulta, ad oggi, l’isotopo del Nichel più esotico ad essere stato prodotto con intensità di fascio sufficienti da consentire studi di tipo spettroscopico. L’esperimento è stato realizzato presso il National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) della Michigan State University. Il fascio di 74Ni è stato prodotto per frammentazione di un fascio primario (stabile) di 86Kr accelerato dalla Coupled Cyclotron Facility ad un’energia di 140 AMeV e diretto su un bersaglio di 9Be. Qui, principalmente in seguito a reazioni di frammentazione del proiettile, sono state prodotte numerose specie nucleari. La selezione degli isotopi di interesse, realizzata dal separatore elettromagnetico A1900, ha consentito di isolare un fascio secondario (”cocktail-beam“) contenente ioni di 74Ni con un’intensità di circa 1 pps assieme ai più intensi fasci di 77Zn e 75Cu. Per l’eccitazione culombiana è stato usato un foglio di 197Au spesso 640 mg/cm2. Gli ioni in uscita dal bersaglio secondario sono stati identificati dai rivelatori di piano focale dello spettrometro S800 ed i fotoni di diseccitazione emessi in coincidenza sono stati misurati utilizzando il rivelatore a 4pi CAESAR. Dall’analisi dei dati realizzata in questo lavoro è emerso che, entro gli errori sperimentali, il valore della B(E2) è diverso da quanto osservato precedentemente utilizzando tecniche differenti. Questo risultato potrebbe pertanto aprire la strada a nuove interpetazioni sull’evoluzione delle shell all’interno della catena isotopica del Ni. Questo elaborato è organizzato nel modo seguente: nel primo capitolo verranno introdotti i concetti principali riguardanti lo studio della struttura nucleare lontano dalla valle di stabilità e la produzione di fasci radioattivi. Nel capitolo 2 verrano illustrati gli aspetti fondamentali della teoria dell’eccitazione culombiana in diversi regimi energetici. I capitoli 3 e 4 saranno dedicati, rispettivamente, alla descrizione dell’apparato e dell’analisi dei dati. I risultati ottenuti verranno infine commentati nell’ultima sezione. Verranno quindi discusse alcune possibili interpretazioni sull’evoluzione della struttura nucleare nella catena isotopica del Nichel e presentate le prospettive sperimentali necessarie per una migliore omprensione della tematica discussa.