A~30 tömegszámú egzotikus atommagok vizsgálata radioaktív nyalábokkal ELŐADÓ: Koncz gabriella (FIZIKUS MSC) TÉMAVEZETŐ: DR. Kunné sohler dorottya (MTA ATOMki)

Tartalomjegyzék Bevezetés, célkitűzés Kísérleti összeállítás A1900, S800 spektrométerek és a GRETINA γ-detektor Nyaláb- és reakciótermék-azonosítás és annak jósága γ-spektrumok és γ-γ-koincidenciakapcsolatok vizsgálata, a 34 𝑆𝑖 atommag Összefoglalás

Izotóptérkép Stabil atommagok völgye: N=Z egy darabig, a nagy neutronszám felé görbül Nem folytonos terület: szigetek, szakadások, mágikus vonalak Egzotikus magok: A Béta-stabilitási sávtól távol elhelyezkedő nagyon Béta-instabil, de részecske-stabil magok. Ismeretlen területek: szupernehéz elemek, egzotikus magok

Történeti áttekintés Magfizika kezdete: 1911, Rutherford 𝛼-szórási kísérlete Az atommag egyik első modellje: az 1930-as években megalkotott folyadékcsepp- modell: V~A, állandó maganyag-sűrűség, a magerő a szomszédok között hat, a távolikat nem vonzza és nagyon közel taszító, minden proton között EM-> ->Magyarázza a kötési formula első három tagját. deformált magok ↔ a töltött folyadékcsepp energiaminimuma gömb alaknál Egy kis mese…. a második nőről, aki fizikai Nobel-díjat kapott közepében van koncentrálva állandó maganyag sűrűségű folyadékcseppként tekintett magyarázta a félempirikus kötési formula első három tagját alkalmasnak bizonyult a maghasadás értelmezésére is amelyeket cseppmodell alapján nem lehetett értelmezni töltött folyadékcsepp energiaminimuma gömb alaknál van, mégis léteznek deformált magok

Történeti áttekintés Elemgyakoriság + pl. neutronbefogási hatáskeresztmetszet -> bizonyos neutron/proton számoknak kitüntetett a szerepe N és/vagy Z=2, 8, 20, 28, 50, 82 Wigner elnevezte őket szkeptikusan: mágikus számok A cseppmodellel nem értelmezhető Héjmodell -> Maria Groeppert-Mayer és Hans Jensen

Héjmodell A nukleonok adott energiaszinteken, pályákon helyezkednek el. -> A pályák héjakat alkotnak. Pauli-elv: két fermion kvantumállapota nem lehet azonos Eltérés az atomok elektronhéj-szerkezetét leíró héjmodelltől: -> nincs vonzó objektum a középpontban, átlagtér-közelítés Érdemes az atommag sűrűségeloszlásához közelálló potenciálalakokat alkalmazni Visszakaptuk az első három mágikus számot A többi mágikus számot a spin-pálya kh. analógiájára bevezetett kh. segítségével magyarázhatjuk: energiaszintek felhasadnak, átrendeződnek

Az egzotikus magok megszegik a szabályt 1980-as évekig alaptétel a mágikus számok állandósága egzotikus magok vizsgálata, példák: 11 𝐿𝑖 , 13 𝐵𝑒 , 19 𝐶 -> meglepően nagy méret, távoli neutron N=20 (8, 28), 31 𝑁𝑎 ( 12 𝐵𝑒 , 42 𝑆𝑖 ) körüli magok -> deformáltak alapállapotban, nem érzik a héjzáródást -> N/Z≈2-nél eltűnik a mágikus számok mágikus jellege 22 𝑂 , 24 𝑂 -> kétszer mágikusak ->N=14,16 alhéjzáródás héjzáródássá erősödik a stabilitási sávtól távol

Radioaktív nyalábok francia nemzeti nehézion-laboratórium (GANIL) japán fizikai-kémiai kutatóintézet (RIKEN) Michigan Állami Egyetem (MSU) technikai fejlődés -> 1980-as évek -> nehezebb ionok a fénysebesség negyedére gyorsíthatók gyorsított nehéz ionok -> produkciós céltárgy -> fragmentáció -> szükséges nyalábok kiválasztása (fragmentum szeparátor, dipól mágnesek) -> másodlagos céltárgy RIA (Rare Isotope Accelerator): összekapcsolt ciklotronok (első ciklotron: mag+elektron, felgyorsítva könnyebb az elektrontól megszabadítani)->az izotóptérkép az A≈100-ig feltérképezhető

Célkitűzés Az erősen aszimmetrikus proton- neutron arányú, egzotikus atommagok rengeteg érdekes jelenséget mutatnak: neutronglória, a mágikus számok megváltozása, island of inversion. Fő célom ezen jelenségek tanulmányozása a könnyű egzotikus magok egy csoportjában. Jelenlegi célom a 34 𝑆𝑖 -ban a protongerjesztések szerkezetének vizsgálata.

Másodlagos nyaláb (N=20) előállítása Elsődleges nyaláb: 48 𝐶𝑎 Ciklotronok: K500, K1200 Produkciós céltárgy: 9 𝐵𝑒 Tömegspektrométer: A1900 Másodlagos nyalábok: 37 𝐶𝑙 , 36 𝑆 , 35 𝑃 33 𝐴𝑙 , 34 𝑆𝑖 , 35 𝑃

Reakciók a másodlagos céltárgyon, S800 spektrométer Szcintillátorok: XFP, OBJ, E1 ToF mérésére Másodlagos céltárgy: 9 𝐵𝑒 Tömegspektrométer: S800 Ionizációs kamra: leadott energia mérésére Cathode Readout Drift Chambers (CRDCs): az x és y pozíciók mérésére a fókuszsíkban a reakciótermékek trajektóriái és a repülési irány által bezárt szög mérésére

GRETINA γ-detektor Gamma Ray Energy Tracking In-beam Nuclear Array A GRETINA 28 magasan szegmentált koaxiális germánium kristályból épül fel 7 modul ami szoros-pakolású gömbi geometriába illik

Másodlagos nyaláb azonosítás Elsődleges szeparációk (𝐵∙𝜌−∆𝐸−𝑇𝑜𝐹 módszer): a másodlagos nyaláb csak N=20 neutronszámú atommagokat tartalmaz Feladat: ábrázolni a ToF {OBJ-E1}-et a ToF {XFP-E1} függvényében 2D ROOT hisztogramon ToF {XFP-E1} = ToF {XFP-OBJ} + ToF {OBJ-E1} ToF {XFP-OBJ} ∝ A (tömegszám) 𝐵∙𝜌−∆𝐸−𝑇𝑜𝐹 módszer: ∆𝐸+𝑇𝑜𝐹∝𝑍 (rendszám) (Q=Z) 𝐵∙𝜌+𝑇𝑜𝐹∝ 𝐴 𝑍 A (tömegszám)

Reakciótermék azonosítás Feladat: a termékek azonosítása a B∙𝜌−∆𝐸−𝑇𝑜𝐹 módszerrel; ábrázolni a ToF {corrected} {OBJ-E1}-et ∆𝐸 függvényében 2D ROOT hisztogramon ToF {corrected} {OBJ-E1} = ToF {OBJ-E1} + 𝛼∙ 𝑥 𝑝𝑓 + 𝛽∙ 𝑎 𝑓𝑝 𝑎 𝑓𝑝 : az adott reakciótermék trajektóriája és a repülési irány által bezárt szög 𝑥 𝑝𝑓 : az adott reakciótermék x pozíciója a fókuszsíkban 𝛼, 𝛽: parameterek, amik a mágnesek beállítására jellemzőek ∆𝐸: az adott reakciótermék által az ionizációs kamrában leadott energia

A nyaláb- és reakciótermék-azonosítás minőségének vizsgálata A nyaláb- és reakciótermék- azonosítási ábrákról x és y projekció készítése Jól elkülönülő Gauss-görbék → jó reakciótermék azonosítás

γ–energia spektrumok A másodlagos reakciók gerjesztett termékei γ–fotonok kibocsátásával kerülnek alapállapotba a → γ-fotonokat a GRETINA γ-detektor detektálja Feladat: A γ-energia spektrumok elkészítése az adott reakciócsatornákoz, a γ-sugarak hozzárendelése a vizsgált izotópokhoz és az γ-energiák összehasonlítása az ismert γ-energiákkal A spektrumokon a pirossal jelölt csúcsok: ismeretlen γ-energiák A spektrumokon a feketével jelölt csúcsok: ismert γ-energiák Feladat: γ-γ-koincidencia információk elemzése → az adott atommagok nívósémájának felépítése

γ-spektrumok alakja A γ-sugárzás anyaggal való kölcsönhatása: Compton-szóródás, párkeltés, fotoeffektus

γ-γ-koincidencia információk elemzése

35 𝑃 (−1𝑝) 34 𝑆𝑖 A nívóséma felépítése: 35 𝑃 (−1𝑝) 34 𝑆𝑖 A nívóséma felépítése: Bonyolult (proton- és neutronállapotok egyaránt) → 9 𝐵𝑒 céltárgy Z=14, N=20 (duplán mágikus mag) → Proton állapotok keresése a 34 𝑆𝑖 atommagban Z=14-es alhéjzáródás erősségének vizsgálata érdekében 6 új γ-csúcs a spektrumon lévő 14 γ-vonalból 121 keV-es átmenet után az atommag egy izomer állapotba kerül <210 ns életidővel. Ebből az állapotból az atommag egy 929 keV-es γ-photon kibocsátásával kerül alacsonyabb energiás állapotba. Ez a csúcs vastag a spektrumon a Doppler-korrekció miatt. A γ-γ-koincidencia információk elemzése → a nívóséma felépítése Eredmény: 4 új energiaszint a nívósémán

Összefoglalás Kísérlet a Michigan-i National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) intézetben Másodlagos nyaláb és reakciótermék azonosítás A 34 𝑆𝑖 atommag γ-energia spektrumának elemzése: 6 új γ-vonal a spektrumon A 34 𝑆𝑖 atommag nívósémájának felépítése: 4 új energiaszint a nívósémán Tervek a jövőre nézve: Az eredményeim összehasonlítása héjmodellszámolásokkal Más, a kísérlet során előállított izotópok vizsgálata

Köszönöm a figyelmet!