Investigating the 46Ar proton wave function with the 46Ar(3He,d)47K direct reaction

The evolution of the nuclear shell closure at N=28 has gathered much interest due to the observed discrepancies between the well-established shell model with SDPF-U interaction and measurements of the semi-magic 46Ar isotope. In particular, while a remarkable agreement was observed between theoretical and experimental neutron separation energies, transition probabilities measured with intermediate Coulomb excitation diverge by more than a factor of two from their predicted values. The reason behind this mismatch has been pinned down to the proton transition matrix elements and hints at an incorrect description of the sd proton space below Z=20. The experiment analyzed and discussed in the present thesis addressed this problem by directly probing the proton component of the wave function via a proton-pickup direct reaction in inverse kinematics: 46Ar(3He, d)47K at an energy of 9 MeV/u. The measurement, performed at the Spiral 1 facility in GANIL with a post-accelerated radioactive 46Ar beam impinging on a high-density cryogenic 3He target, aimed at quantifying the transfer cross section to the 3/2+ level relative to the 1/2+ ground state in 47K, relying on a state-of-the-art experimental setup for a precise reconstruction of the kinematics of the reaction. The heavy reaction fragment was identified by the high acceptance magnetic spectrometer, VAMOS, while the high-granularity Silicon DSSD detector, MUGAST, allowed the measurement of the angular distribution of the light ejectile while also performing particle identification. The AGATA gamma-ray tracking Germanium array measured the photons produced by the decay of the 47K excited states. The experimental evidence indicates a substantially suppressed L=2 transfer to the first excited state of 47K, at odds with shell-model calculations that predict the s1/2 and d3/2 orbitals as almost degenerate and not entirely occupied. The results will also be discussed in the framework of ab initio and mean-field calculations. In these theoretical results, the low occupancy of the s1/2 orbital, in agreement with the high relative spectroscopic factor measured, implies a central depletion of the proton wavefunction: a so-called bubble structure.

L'evoluzione della chiusura di shell N = 28 ha suscitato molto interesse a causa di alcune discrepanze osservate tra il ben consolidato modello a shell con l'interazione SDPF-U ed alcuni esperimenti condotti per l'isotopo semi-magico 46Ar. In particolare, nonostante la notevole corrispondenza tra i valori teorici e sperimentali di energia di separazione dei neutroni, le probabilità di transizione misurate tramite eccitazione Coulombiana alle medie energie divergono di più di un fattore due dai valori previsti. Il motivo di questa mancata corrispondenza è stato individuato in una sbagliata descrizione degli elementi di matrice protonici, suggerendo una descrizione errata dello spazio protonico sd al di sotto di Z = 20. L'esperimento analizzato e discusso nella presente tesi ha affrontato il problema sondando direttamente la componente protonica della funzione d'onda tramite una reazione diretta di pick-up in cinematica inversa: 46Ar(3He, d)47K ad un'energia di 9 MeV/u. Lo scopo della misura, effettuata a GANIL presso Spiral 1 con un fascio radioattivo post-accelerato di 46Ar ed un target criogenico 3He, è quello di quantificare la sezione d'urto per il trasferimento al livello 3/2+ rispetto all'1/2+ (ground state) del 47K, basandosi su un apparato sperimentale all'avanguardia per una precisa ricostruzione della cinematica della reazione. Il frammento di reazione pesante è stato identificato dallo spettrometro magnetico ad alta accettanza, VAMOS, mentre il rivelatore DSSD di silicio ad alta granularità, MUGAST, ha consentito la misurazione della distribuzione angolare del frammento di reazione leggero, eseguendo anche l'identificazione delle particelle. L'array di germanio con tracciamento di raggi gamma AGATA ha misurato i fotoni prodotti dal decadimento degli stati eccitati del 47K. L'evidenza sperimentale indica un trasferimento in onda L=2 sostanzialmente soppresso al primo stato eccitato del 47K, in contrasto con i calcoli del modello shell che predicono gli orbitali s1/2 e d3/2 come quasi degeneri e non completamente occupati. I risultati sono discussi nel corso della tesi nell'ambito dei calcoli ab initio e di campo medio. In questi risultati teorici, la bassa occupazione dell'orbitale s1/2, in accordo con l'alto fattore spettroscopico relativo misurato, implica una riduzione della densità centrale nella funzione d'onda del protone: una cosiddetta struttura a bolla.