Study of shape evolution in the neutron-rich osmium isotopes with the advanced gamma-tracking array AGATA

This thesis describes the major results of a γ-ray spectroscopy experiment aiming at the investigation of the shape evolution in the neutron-rich even-even osmium isotopes. The first in-beam γ-ray spectroscopy measurement of 196 Os has been performed and the results are compared to state-of-the-art beyond mean-field calculations, that have revealed its presumably γ-soft character. Finite many-body systems, such as molecules, many man-made nano materials and atomic nuclei can be understood as a drop of viscous liquids confined by an elastic membrane, where its equilibrium shape (ground state) has a unique feature: the existence of deformed (non-spherical) shapes. Non-spherical shapes represent spontaneous symmetry breaking. However, the shape of the nucleus is not a direct observable. By comparing its low-lying excited states to predictions of nuclear models, the shape of the nucleus can anyway be deduced, as it will be shown in this work. Nuclear deformation is caused by the subtle interplay between single-particle and collective degrees-of-freedom. Hence, studies of nuclear deformation open a window on the underlying NN interaction and its role in the microscopic origin of deformation. In particular, regions of the nuclear chart where oblate deformation is observed are of special interest due the paucity of oblate deformed nuclei in nature. For the neutron-rich osmium isotopes, a shape transition from prolate to oblate deformation with increasing neutron number is predicted. Experimentally, the yrast band of 194Os was interpreted to be prolate (rugby-ball) deformed, instead the low-lying excitations of 198Os were suggested to be characteristic of an oblate (pumpkin) shape. The even-even nucleus in between, 196Os, was investigated in the eighties and two excited levels were proposed. The uncertainties in the energy and in the spin assignment of the 2nd level prevented a clear comparison with nuclear models. With the current stable beam and target combinations the exotic nucleus 196 Os can not be populated in fusion-evaporation reactions. It is reachable via fragmentation reactions or multi-nucleon transfer reactions. 196Os was produced via fragmentation reactions in the large-scale radioactive ion beam facility GSI, Germany. However, in the isomeric decay spectroscopy no γ-rays were observed. Multi-nucleon transfer reactions are complementary to fragmentation reactions and were performed using the most powerful γ-detector array, Gammasphere, in Lawrence Berkeley and Argonne National laboratories, USA. However, the experiment setup was not sensitive enough to identify 96 Os among the reaction products. In order to study the structure of 196Os by means of γ-ray spectroscopy, a multi-nucleon transfer experiment was performed at the Laboratori Nazionali di Legnaro (Italy) using the new-generation Advanced Gamma Tracking Array (AGATA) demonstrator in coincidence with the magnetic spectrometer PRISMA using a 82Se beam with an energy of 426 MeV on a 198Pt target. The very selective binary partner method was applied, i.e. the lighter beam-like recoil was identified in the magnetic spectrometer and the γ rays of the corresponding heavier target-like recoil were detected in coincidence with it. The AGATA demonstrator is a γ-tracking array which relies on Pulse Shape Analysis (PSA) for the identification of the interaction points of the γ ray, which is crucial for the reconstruction of its interaction path through the detector. Being one of the first experiments performed with the AGATA+PRISMA setup, the procedure for presorting, calibration and analysis of the data will be reported in detail. The information of the target-like recoil (such as 196Os) is reconstructed via the reaction kinematics. Due to the evaporation of neutrons a tight gate on the reconstructed Q value has to be applied in order to select the true binary partner. In the γ-ray spectrum in coincidence with 196Os, three γ rays are identified (324.4 keV, 467.0 keV and 639.2 keV) that are assigned to originate from the decay of the three lowest-lying 2+ , 4+ and 6+ states.The E(4+))/E(2+) ratio extracted from the new data is 2.44, deviating less than 3% from the expectation value of a γ-soft/triaxial rotor (2.5). The new excited states of 196 Os are compared, as well as the known levels in the even-even osmium isotopes 188−198Os, to state-of-the-art beyond mean field (BMF) calculations. The quality of the results allows a detailed analysis of the shape evolution from a predominantly prolate rotational in 188Os to a more vibrational one in 198Os. The new experimental data obtained for 196Os, reveals an almost perfect γ-soft/triaxial rotor yrast-band, which is in perfect agreement with the calculations. A great variety of nuclei were produced in the 82Se + 198Pt reaction. For example, the yrast band of 200Pt is extended to higher spin and the shape evolution of the even-even platinum isotopes 190−200Pt is compared to calculations based on the same nuclear model.The shape evolution through the platinum isotopes is less rapid than the one of the osmium isotopes, with a potential which remains γ-soft for all these nuclei. In particular, the yrast band of 200Pt has the most vibrational character among the investigated isotopes. For the beam like isotopes new data were also obtained and the yrast band of the even-even zinc isotopes 72−76Zn, populated in the 4 proton transfer channel, is reported. Previous to the AGATA spectrometer, large-scale γ-ray arrays have collimators and anti-Compton shields, in order to reach a good peak-to-total ratio. The conceptual design of the AGATA is substantially different and no such passive material exists in the setup. Hence, the sensitivity for the measurement of the decay of isomeric states belonging to the target-like recoils implanted in the target chamber or in the DANTE array, is higher than that of traditional γ-ray arrays. Through the measurement of the beam-like recoils in the PRISMA spectrometer it is possible to observe in coincidence the γ-rays belonging to the implanted binary partner and to discover new isomeric states. In this thesis the first lifetime measurement of isomeric states with AGATA will be reported. In total 44 isomeric states are identified, including 3 previously unknown

In questa tesi vengono presentati i risultati principali di un moderno esperimento di spettroscopia γ che aveva come scopo lo studio della evoluzione della forma dei nuclei pari-pari, ricchi di neutroni, di osmio. In particolare, si sono ottenuti i primi dati in assoluto sugli stati eccitati del nucleo 196Os tramite lo studio della radiazione γ emessa. Dal confronto dei dati sperimentali con i pi ù avanzati calcoli teorici "beyond mean-field", si si è potuto concludere che il 196Os può essere considerato come un paradigma di nucleo γ-soft. In natura, i sistemi finiti a molti corpi, come ad esempio le molecole, molti nano-materiali prodotti artificialmente e i nuclei atomici, presentano un comportamento che può essere descritto come una goccia di liquido viscoso confinata da una membrana elastica, dove la forma all'equilibrio (stato fondamentale) presenta una caratteristica unica: può essere deformata (non sferica) e rappresenta quindi una rottura spontanea di simmetria. In fisica nucleare, la forma di un nucleo non è un'osservabile diretta. è possibile tuttavia dedurre la forma di un nucleo da un confronto tra le energie di eccitazione dei primi stati eccitati con le previsioni dei modelli nucleari, e questo verrà illustrato nel presente lavoro di tesi. La deformazione in un nucleo è il risultato di un sottile gioco tra i gradi di libertà di particella singola e quelli collettivi del nucleo. Di conseguenza, lo studio della deformazione nucleare è importante non solo per indagare il comportamento della sottostante interazione nucleone-nucleone (NN), ma anche per meglio comprendere il ruolo di questa interazione nell'origine microscopica della deformazione stessa. Per questo tipo di studi, sono di particolare interesse le regioni della carta dei nuclidi dove si sono osservati nuclei con deformazione oblata, visto che in natura sono molto pochi, esendp la maggior parte con deformazione prolata. Negli isotopi di osmio ricchi di neutroni è prevista una transizione di forma con l'aumentare del numero di neutroni, da una forma prolata (es. palla da rugby) per quelli meno ricchi di neutroni ad una forma oblata (es. zucca) per quelli pi ù ricchi. In accordo con la teoria, gli stati yrast del 194Os misurati sperimentalmente sono stati interpretati mediante una deformazione prolata, mentre quelli del 198Os indicano che il nucleo ha una forma oblata. Il nucleo pari-pari 196Os, che è situato proprio a metà tra i due nuclei appena citati, è stato studiato negli anni ottanta e ne sono stati proposti due livelli eccitati a bassa energia. Purtroppo, l'incertezza sulla posizione del secondo livello eccitato e sull'assegnazione del suo spin non ha permesso un confronto corretto con i modelli nucleari. Il nucleo 196Os non può essere popolato in una reazione di fusione-evaporazione che utilizzi una combinazione di fascio e di bersaglio presenti in natura e per questo è stato molto difficile studiarlo. Può però essere prodotto in reazioni di frammentazione o in reazioni di trasferimento di molti nucleoni. Il 196Os è stato tra i prodotti di reazione di un esperimento di frammentazione effettuato nel laboratorio GSI in Germania, ma non è stato possibile osservare nessun raggio γ associato ad esso. Reazioni di trasferimento di molti nucleoni, complementari con quelle di frammentazione, sono state effettuate nei laboratori di Berkeley e Argonne in USA utilizzando Gammasphere, il più potente rivelatore di raggi γ disponible. Anche in questo caso però non è stata raggiunta la sensibilità sufficiente per identificare il 196Os tra i prodotti della reazione. Per studiare la struttura del nucleo 196Os è stata utilizzata nel nostro caso una reazione di trasferimento di molti nucleoni bombardando un bersaglio di 198Pt con un fascio di 82Se ad una energia di 426 MeV. L'esperimento, effettuato presso i Laboratori Nazionali di Legnaro, ha fatto uso di un rivelatore al germanio di nuova generazione, l'Advanced Gamma Tracking Array (AGATA), in coincidenza con lo spettrometro magnetico PRISMA. Per identificare i prodotti pesanti delle reazione binarie di trasferimento è stato applicato un nuovo metodo molto selettivo: lo ione "beam-like'' viene identificato con precisione dallo spettrometro magnetico PRISMA e si osservano in coincidenza con esso i raggi γ del nucleo più pesante associato. Il dimostratore di AGATA è un insieme di rivelatori al germanio elettricamente segmentati che si basa su un algoritmo di Pulse Shape Analysis (PSA) per individuare i punti di interazione di un raggio γ all'interno del rivelatore permettendo di ricostruirne quindi la sua traiettoria di interazioni nel rivelatore. Essendo stato questo uno dei primi esperimenti eseguiti con il dimostratore di AGATA associato a PRISMA, le procedure per il presorting dei dati, per la loro calibrazione e analisi verranno presentate in dettaglio. L'informazione sullo ione pi ù pesante (target-like), come il 196Os, viene ottenuta partendo dalla cinematica della reazione. A causa però dell'evaporazione di neutroni, deve essere applicata una selezione molto restrittiva sul Q-valore ricostruito del processo binario in modo da selezionare in modo corretto lo specifico partner. Nello spettro γ in coincidenza con il 196Os sono state osservate tre transizioni di energia 324,4 keV, 467,0 keV e 639,2 keV che sono state assegnate al decadimento dei tre stati di più bassa energia 2+, 4+ è 6+ del nucleo. Da questi nuovi dati si è estratto il rapporto E(4+)/E(2+) che risulta essere uguale a 2.44, un valore che devia meno del 3% dal valore teorico (2.5) di un rotore triassiale/γ-soft perfetto. Questo nuovo risultato porta quindi ad un confronto con il nucleo 196Pt, l'isobaro pari-pari più vicino al 196Os, che è considerato in letteratura l'esempio classico di un rotore γ-soft. I nuovi stati eccitati del 196Os assieme a quelli già conosciuti degli isotopi pari-pari 188-198Os sono stati confrontati con i pi ù avanzati calcoli teorici disponibili al momento, detti anche ``beyond mean field'' (BMF). La qualità dei dati ha consentito un'analisi dettagliata dell'evoluzione della forma degli isotopi dell'osmio, che passano da un carattere prevalentemente rotazionale prolato per il 188Os a un comportamento più vibrazionale per il 198Os. I nuovi dati sperimentali ottenuti per il 196Os rivelano, come già accennato, un comportamento quasi perfetto di rotore triassiale/γ-soft, che viene riprodotto in maniera eccellente dai calcoli teorici. Nella reazione di trasferimento di molti nucleoni 82Se + 198Pt descritta in questa tesi, sono stati prodotti molti altri nuclei con numeri di massa vicini sia a quello del fascio che a quello del bersaglio. Ad esempio, è stato possibile estendere ad alto spin la banda yrast del 200Pt e si è studiata l'evoluzione di forma anche per gli isotopi pari-pari del platino 190-200Pt confrontando anche in questo caso i risultati sperimentali con i calcoli basati sullo stesso modello applicato agli isotopi di osmio. L'evoluzione della forma negli isotopi di platino è meno rapida di quella degli isotopi dell'osmio, con un potenziale che per tutti questi nuclei ha la caratteristica di essere γ-soft. In particolare, la banda yrast di 200Pt presenta un carattere più vibrazionale rispetto a tutti gli isotopi discussi in questo lavoro. Anche per i nuclei con numero di massa vicino a quello del fascio si sono ottenuti nuovi dati. In particolare, verranno presentati i risultati per gli isotopi pari-pari 72-76Zn, popolati per trasferimento di 4 protoni. Gli spettrometri γ precedenti ad AGATA erano costituiti anche da schermi anti-Compton e relativi collimatori allo scopo di avere un buon rapporto Peak to Total (P/T). Il design concettuale di AGATA consiste invece nel ridurre il più possibile il materiale passivo che risulta essere del tutto assente. Questo fa si che lo spettrometro può misurare con grande efficenza il decadimento gamma di stati isomerici, appartenenti a ioni target-like impiantati nella camera di reazione o in un rivelatore di DANTE, a differenza degli spettrometri gamma tradizionali. Una volta identificati gli ioni beam-like nello spettrometro PRISMA è possibile osservare in coincidenza i raggi γ appartenenti ai partner binari impiantati e scoprire quindi nuovi stati isomerici. In questa tesi verrà presentata la prima misura di vita media di stati isomerici nel range dei ns stati effettuata con AGATA. Nel complesso sono stati identificati 44 isomeri, di cui 3 nuovi