Isomer decay spectroscopy in the region of neutron-rich lead isotopes from relativistic 238U fragmentation.

The present thesis describes the results of an experiment which was performed at the GSI laboratory, Darmstadt, Germany in September 2009, aiming at studying neutron-rich nuclei in the region of lead nuclei. In the introduction the main modern research lines on nuclear structure are briefly described. A particular attention is devoted to the study of exotic nuclei, i.e. of nuclei far from the valley of stability. They are one of the most important themes of research in nuclear physics since their study may point out details of the nuclear interaction not easy to disentangle investigating only stable nuclei. Moreover, significant modifications of the nuclear structure are expected, as the disappearance of the known magic numbers and the appearance of new ones. The study of neutron-rich nuclei is also fundamental to quantitatively understand the nucleosynthesis of heavy elements via the rapid process thought to happen in supernovae. However, the study of exotic nuclei is hampered by many difficulties, concerning both their production and their measurement. The region of neutron-rich lead nuclei, which is the object of the present thesis, has proved quite complicate to study due to the fact that these isotopes cannot be populated via fusion-evaporation or deep-inelastic reactions using stable beams. Therefore, other production mechanisms must be exploited, as the fragmentation reactions. The drawbacks of this method are the low production cross sections and the necessity of using high-energy uranium beams (1 GeV A) in order to facilitate the separation in mass and atomic number. As a consequence, the neutron-rich isotopes around doubly-magic 208Pb have been less investigated with respect to regions with lower mass, as for example those around doubly-magic 132Sn and 78Ni. Nevertheless, these isotopes are very important. On the one hand, they are fundamental for evaluating the evolution of the nuclear shell structure beyond N = 126. On the other hand, the measurement of the beta half lives of these nuclei is of paramount importance to better parameterize the models from which the half lives of the nuclei directly involved the rapid process stellar nucleosynthesis have to be extrapolated. The exotic nuclei close to lead were produced by the fragmentation of a relativistic uranium beam at an energy of 1 GeV A. The available energy and beam current, around 10^9 particles per second (pps), allowed to cope with the aforementioned mass separation issue and to have a sufficient production yield, despite the low cross sections. The reaction products were separated with the mass spectrometer FRagment Separator (FRS), which allows one to select the channels of interest and to identify, event by event, the produced ions in mass and atomic number. The identified fragments were then slowed down in a degrader and implanted in double-sided silicon-strip detector, which allows one to measure the time and the position of the implantation. This array also detects the beta decay of the implanted isotopes, by revealing the produced electrons. This implantation setup is surrounded by the high-efficiency array RISING, composed of 105 germanium crystals. Its purpose is to measure energy and time of the gamma rays emitted in the isomer or beta decay of the implanted ions. Employing the described setup, new isomers in the even-even lead isotopes 212;214;216Pb were identified. The excitation spectrum of such nuclei, observed for the first time, follows the seniority scheme as expected for semi-magic nuclei outside a double shell closure. From the measurement of the isomer lifetimes the electromagnetic transition matrix elements are deduced. They are a sensitive probe of the nuclear wave function and hence their comparison with theoretical predictions indicates to which extent the nuclear models employed are able to reproduce the nuclear structure. The observed significant experimental discrepancies with the shell-model calculations (derived from realistic nuclear hamiltonian with state-of-the-art shell-model codes) require the introduction of state-dependent effective charges. It is shown that this need is actually the result of neglecting of effective three-body forces. These forces appear when an interaction is adapted to a certain valence space, but are almost always not considered as they are thought to produce negligible effects. In the present thesis it is proved that, on the contrary, these forces can produce significant changes on the final results of the calculations. Isomers were also observed in 217Bi, 213Pb, 211;213Tl and 208;210Hg. The assignment of spin and parity to the levels in 217Bi and 208Hg was straightforward, whereas in the other isotopes it was more challenging. In conclusion, the present work reports results on several new isomers in the neutron-rich nuclei in the lead region. The technical difficulties of the experiment and the devices exploited to overcome them are also highlighted. The physical cases studied appear very interesting, as they point out previously neglected aspects of the nuclear structure. The future investigations that will be possible with the new accelerators and detection setups under construction will shed more light on these issues

La presente tesi di dottorato descrive la preparazione ed i risultati di un esperimento svoltosi presso il laboratorio del GSI, Darmstadt, Germania nel settembre 2009. Nella parte introduttiva si descrivono brevemente le principali linee della moderna ricerca sulla struttura nucleare. Particolare risalto viene dato alla tematica dello studio dei nuclei esotici, cioè lontani dalla valle di stabilità. Essi costituiscono uno dei più importanti obbiettivi di ricerca della fisica nucleare, poiché il loro studio metterà in evidenza aspetti dell'interazione nucleare altrimenti difficili da comprendere. Inoltre, ci si aspettano significativi cambiamenti della struttura del nucleo, come la scomparsa degli usuali numeri magici e l'apparizione di nuovi. Lo studio dei nuclei ricchi di neutroni è anche fondamentale per comprendere quantitativamente la nucleosintesi degli elementi pesanti nel processo rapido, che si pensa accada nelle supernovae. Lo studio dei nuclei esotici presenta tuttavia numerose difficoltà, legate sia alla loro produzione che alla loro misura. La regione dei nuclei di piombo ricchi di neutroni si è infatti rivelata particolarmente complicata da studiare poiché questi isotopi non possono essere popolati con reazioni di fusione-evaporazione o di trasferimento di nucleoni usando fasci stabili. Quindi devono essere sfruttati altri meccanismi di produzione, come le reazioni di frammentazione. Questo metodo ha però degli svantaggi, come le basse sezioni d'urto di produzione e la necessità di disporre di fasci di uranio ad alta energia (1 GeV A) al fine di agevolare la separazione in massa e in numero atomico. Conseguenza di ciò è il fatto che gli isotopi ricchi di neutroni nella zona del nucleo doppio magico 208Pb, siano stati assai meno studiati rispetto a regioni di massa inferiore, come per esempio quelle attorno ai nuclei doppio magici 132Sn e 78Ni. Pur tuttavia questi isotopi sono estremamente interessanti. Da un lato essi sono fondamentali per valutare l'evoluzione della struttura a shell nucleare allontanandosi dal 208Pb, cercando di capire se le chiusure di shell Z = 82 e N = 126 permangano tali. D'altra parte la misura della vita media per decadimento beta di questi nuclei è di vitale importanza per parametrizzare meglio i modelli dai quali poi si devono estrapolare le vite medie degli isotopi direttamente coinvolti nel processo rapido di nucleosintesi stellare. I nuclei esotici vicini al piombo sono stati prodotti mediante frammentazione di un fascio di uranio relativistico ad una energia di 1 GeV A. L'energia e la corrente di fascio disponibili, circa 10^9 particelle per secondo, hanno permesso di affrontare i problemi appena menzionati riguardanti la separazione in massa e di avere una produzione sufficiente dei nuclei di interesse, nonostante le basse sezioni d'urto. I prodotti di reazione sono stati separati con lo spettrometro di massa FRS, che permette di selezionare i canali di interesse e identificare gli ioni prodotti in massa e in numero atomico, evento per evento. I frammenti così identificati sono quindi stati rallentati in un degrader e poi impiantati in un rivelatore a strip di silicio, che permette di misurare tempo e posizione dell'impianto. Questo rivelatore permette inoltre di studiare il decadimento beta degli isotopi in esso fermati, misurando gli elettroni prodotti. Questo rivelatore è circondato da un apparato ad alta efficienza per la misura di fotoni , RISING, composto da 105 cristalli di germanio. Il compito di RISING è quello di misurare energia e tempo dei raggi gamma emessi nel decadimento degli isomeri o nel decadimento beta degli ioni impiantati. Utilizzando gli apparati descritti, si sono studiati gli isomeri negli isotopi pari-pari del piombo 212;214;216Pb. Il loro spettro di eccitazione, studiato per la prima volta, segue molto bene lo schema di seniorità previsto in questi casi. La misura delle vite medie degli isomeri ha inoltre permesso di ricavare gli elementi di matrice di transizione elettromagnetica. Essi rappresentano una sonda molto accurata della funzione d'onda nucleare e quindi la loro comparazione con le stime teoriche consente di stabilire se i modelli nucleari impiegati sono veramente in grado di riprodurre la struttura del nucleo. Le discrepanze che si sono osservate rispetto calcoli di modello a shell (effettuati con hamiltoniani realistici e i più moderni codici di calcolo), richiederebbero l'introduzione di cariche efficaci dipendenti dallo stato per essere risolte. Si è dimostrato che questo è dovuto al fatto che le forze efficaci a tre corpi sono state trascurate. Queste forze, che compaiono ogniqualvolta un hamiltoniano è adattato ad uno spazio di valenza, sono quasi sempre ignorate perché si ritiene producano effetti molto piccoli. In questa tesi si dimostra invece che questa approssimazione può portare a importanti variazioni nei risultati finali dei calcoli. Sono stati osservati isomeri anche negli isotopi 217Bi, 213Pb, 211;213Tl e 208;210Hg. Attribuire spin e parità ai livelli nel 217Bi e nel 208Hg si è rivelato semplice, mentre neglialtri nuclei è stato più difficile. In conclusione, la tesi riporta risultati su diversi nuovi isomeri nei nuclei ricchi di neutroni vicino al piombo. Si sono anche messe in luce le difficoltà tecniche legate all'esperimento e gli accorgimenti adottati per risolverle. I casi fisici trovati appaiono molto interessanti, poiché mettono in evidenza aspetti prima ignorati della struttura nucleare. Le future indagini che saranno possibili con gli acceleratori e gli apparati oggi in costruzione forniranno molte più informazioni su queste tematiche