Spectroscopic study of nucleus ⁵²Mn and study of the β-Decay of ⁵²Fe

Nuclei near the N = Z line, in the 1 f 7/2 shell, constitute a privileged benchmark where several nuclear properties can be studied in great detail. This is due to recent experimental developments that have allowed spectroscopic studies of these nuclei at high-spin. Near the center of the shell, collective features such as rotational bands have been observed in several nuclei [Len96, Cam96, Len97] up to the band termination. These structures coexist with more spherical structures in some cases. When approaching the neutron or proton closed shells, single-particle behavior shows up, which can give rise to high-spin isomeric states [Ur98, Gad05]. In parallel to the experimental developments, important improvements have been made in shell model calculations which are able to describe, in the full /p-shell valence space, the different properties of 1 f 7/2-shell nuclei, including rotational phenomena, with very good accuracy [Cau95]. Recently, these investigations have been extended to isospin symmetry breaking studies, which have allowed the understanding of specific nuclear structure phenomena [Zuk02, Gad06, Ben06]. The high selectivity of the β-decay Fermi and Gamow-Teller operators leads to a strong link between the initial and final state wave functions and, therefore, the spectroscopy of the β-decay process not only gives excitation energy information of the states, but through the feeding distributions, information of the wave functions can be derived, therefore the determination of the Gamow-Teller strength function and the evaluation of the integral strength (B(GT)) sets a stringent test bench for shell model calculations, even for states well above the yrast line. The nucleus ⁵²Fe (N = Z = 26) has been a particular experimental challenge. Most of the known excited states, observed in (³He,n) [Alf75, Boh75a, Iri77], (α,2n) [Eve77] and (p,t) [Dec78] reactions, were at relatively low spin (below 6h). Many attempts to extend the ⁵²Fe yrast structure to higher spins in fusion-evaporation reactions induced by heavy ions have failed due to the presence of a 12⁺ isomer which acts as a “trap” for the de-exciting γ-ray flux. In some recent works [Ur98, Gad05] with high efficiency γ-ray detectors, the level scheme of ⁵²Fe has been extended up to the 10⁺ state, thereby confirming the predicted inversion [Gee79, Gee75] of the yrast 10⁺ and 12⁺ states, measuring the two E4 γ-branches connecting the 12+ state to the 8+ states of 52Fe. Thus the long-lived yrast 12⁺ state, with a measured half-life of 45.94±0.60 s [Gee79, Gee75], the excitation energy of which was known with accuracy of the order of hundred of keV from β⁺-decay end-point measurement, was accurately placed at the excitation energy of 6493 keV. Beta-decaying yrast traps are uncommon in nature, but the ⁵²Fe 12⁺ isomer is a extraordinary case. It has larger excitation energy than any other beta-decaying Yrast trap, the angular momentum is relatively large but, been in a even-even nucleus decaying into the odd-odd one, the Qec covers a window of more that 6 MeV above the populated 11⁺ yrast state in the daughter nucleus. In addition ⁵²Fe is only two nucleons away from the stable nuclei ⁵⁰Cr, ⁵⁴Fe and, therefore, the shell model description is expected to by good. In the work [Ur98] the decay of the 12⁺ isomeric state has been described within the SM framework. A β⁺-decay half- life of 40 s was obtained, which compares well with the experimental value. According to these calculations the β⁺ decay would proceed predominantly to the low-lying 11⁺ state of ⁵²Mn for which a branching ratio of 99.7% is obtained. The log ft value of 4.78 computed for this transition agrees with the experimental value of 4.83 ±0.11 [Gee79, Gee75]. In addition to this main decay mode, the SM calculation predicts non-zero population of a few other excited 52Mn states that lie within the Qec, however, as we will see, this weak population account for more than 75% of the Gamow-Teller decay strength. In the present work the Gamow-Teller strength (B(GT)) was identified within the Qec window, arriving to energies as close as possible to the Qec, and the week feeding to high lying states was measured by using a total absorption spectrometer. The investigation of the B(GT) distribution within the full Qec window will allow us to test the validity of large-scale SM (LSSM) calculations far from the yrast line, as well as to test the prediction capability of the LSSM concerning Gamow-Teller strength functions. For this study the knowledge of the level scheme of the daughter nucleus ⁵²Mn would be important and so it was also studied using spectroscopic technics. New experimental data on the odd-odd N = Z + 2 nucleus ⁵²Mn are presented. High-spin states of both positive and negative- parity have been observed up to an excitation energy of ~16 MeV. Prior to the present work, these studies were limited to the band-terminating 11⁺ state at 3836 keV. The study of odd-odd nuclei is very challenging also, since they are particularly sensitive to the proton-neutron interaction. In odd-odd N = Z nuclei, T = 0 and T = 1 states coexist at low spin. Rotational positive-parity bands have been observed near the middle of the shell, in ⁴⁶V and ⁵⁰Mn. They are well described with the shell model taking into account the whole fp shell [Len99, OLe99, Sve98]. Negative-parity structures have been also observed in both nuclei. The rotational band observed in ⁴⁶V up to the band terminating 17⁻ state has been reproduced with shell model calculations in the full fp space, allowing for one hole excitation in the d3/2 shell. In the heavier ⁵⁰Mn and ⁵²Fe, the negative-parity structure cannot be reproduced by these calculations and the inclusion of the upper sdg shell seems to be necessary, which is not feasible with the current shell model capabilities. For the odd-odd N = Z + 2 nucleus ⁴⁸V a complete spectroscopic study has been made by Brandolini et al. [Bra02], where a precise description has been obtained with shell model calculations for both positive and negative-parity states. Very scarce spectroscopic information has been reported, however, beyond band termination in this mass region [Ekm04]. […]Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε φασματοσκοπικά ο πυρήνας ⁵²Μn, καθώς και η αποδιέγερση—β του πυρήνα ⁵²Fe. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στους λόγους για τους οποίους η μελέτη πυρήνων κοντά στη γραμμή Ν = Ζ στο φλοιό 1 f 7/2 έχει ενδιαφέρον. Κατ’ αρχήν, τελευταία οι πειραματικές συσκευές έχουν εξελιχθεί πολύ επιτρέποντας τη μελέτη πυρήνων σε υψηλές τιμές στροφορμής. Παράλληλα, σημαντικές βελτιώσεις έχουν γίνει στο "θεωρητικό πρότυπο φλοιών, επιτρέποντας την ερμηνεία πολλών διαφορετικών φαινομένων. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται κάποια στοιχεία θεωρίας. Παρουσιάζεται το πρότυπο φλοιών και γίνεται αναφορά την αποδιέγερση—β, καθώς και στο πρόβλημα της μη παρατηρούμενης έντασης της αποδιέγερσης—β. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις ανιχνευτικές συσκευές. Αρχικά αναφέρονται οι τρόποι αλληλεπίδρασης των ακτινών—γ με την ύλη, οι βασικότεροι των οποίων είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η σκέδαση Compton και η δίδυμη γένεση. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι τύποι ανιχνευτών που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή την εργασία για την ανίχνευση των ακτινών—γ και τέλος περιγράφονται οι ανιχνευτικές συστοιχίες που χρησιμοποιήθηκαν. Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρουσιάζονται οι τρόποι αλληλεπίδρασης των ελαφρών φορτισμένων σωματιδίων και των νετρονίων με την ύλη, καθώς επίσης παρουσιάζονται οι ανιχνευτές και οι συστοιχίες αυτών που χρησιμοποιήθηκαν. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι πειραματικές τεχνικές. Αρχικά παρουσιάζονται οι πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης—εξάχνωσης με τη χρήση των οποίων παράγονται οι υπό μελέτη πυρήνες, καθώς και οι τρόποι με τους οποίους αποδιεγείρονται οι σύνθετοι αυτοί πυρήνες. Στη συνέχεια παρατίθενται οι τρόποι με τους οποίους προετοιμάζονται και μελετούνται τα δεδομένα από τα πειράματα. Στα πειράματα φασματοσκοπίας υψηλής στροφορμής γίνεται χρήση της φασματοσκοπίας συμπτώσεων, γωνιακών κατανομών και γραμμικής πόλωσης για την εξεύρεση του ενεργειακού διαγράμματος, ενώ με τη μέθοδο Doppler Shift Attenuation Method προσδιορίζονται οι χρόνοι ημιζωής των καταστάσεων. Για τα πειράματα φασματοσκοπίας ολικής απορρόφησης παρουσιάζεται ο τρόπος παραγωγής της συνάρτησης απόκρισης της ανιχνευτικής συσκευής και η μελέτη των πειραματικών δεδομένων για την εύρεση της κατανομής τροφοδοσίας της αποδιέγερσης—β. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τη φασματοσκοπική μελέτη του ⁵²Μn. Παρουσιάζεται το ενεργειακό διάγραμμα του πυρήνα όπως προέκυψε από τη μελέτη των δεδομένων τριών διαφορετικών πειραμάτων με τα φασματόμετρα Euroball και GASP, καθώς και κάποιοι χρόνοι ημιζωής που μπόρεσαν να προσδιοριστούν. Στη συνέχεια παρατίθενται θεωρητικά αποτελέσματα του προτύπου φλοιών με διαφορετικές αλληλεπιδράσεις, από τις οποίες προκύπτει ότι η KB3G περιγράφει τα πειραματικά αποτελέσματα καλύτερα. Το έκτο κεφάλαιο αναφέρεται στη μελέτη της αποδιέγερσης—β του ⁵²Fe στον θυγατρικό πυρήνα ⁵²Μn. Παρουσιάζεται το πείραμα υψηλής διακριτικής ικανότητας, στο οποίο παρατηρήθηκε η αποδιέγερση στη δεύτερη στάθμη 11⁺ για πρώτη φορά όπως προέβλεπε η θεωρεία. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μελέτης του πειράματος φασματοσκοπίας ολικής απορρόφησης, στο οποίο έγινε μελέτη σε όλο σχεδόν το φάσμα του παράθυρου Qec και γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων με τις θεωρητικές προβλέψεις. Στο τελευταίο κεφάλαιο υπάρχει η σύνοψη και τα συμπεράσματα των αποτελεσμάτων αυτής της εργασίας

The FIDIAS project: Development of a Micromegas TPC for the detection of low-energy heavy ions

International audienceTime Projection Chambers are widely used since many years for tracking and identification of charged particles in high energy physics. We present here a new R&D project, called FIDIAS, meant to investigate the feasibility of a Micromegas TPC for low energy heavy ions detection. In this framework, a TPC prototype based on Micromegas bulk technique has been extensively tested with spontaneous fission source. A deep analysis of the experimental results has been realized leading to a full characterization of the prototype in terms of gain, energy resolution and track reconstruction as a function of three working gas: helium, neon and argon. The encouraging results have also been compared to simulations, showing the Micromegas TPC is a very well suited detector for the detection of heavy ions in nuclear reactions at low energy