Quantum-state Selective Nuclear Decay Spectroscopy

Abstract

This thesis focusses on the results of two experiments employing Penning traps to prepare pure beams of the ²¹³Ra ground state and ¹²⁷Cd, which were then studied with the decay-spectroscopy setup TASISpec. The experiments were conducted with SHIPTRAP at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany, and JYFLTRAP at the IGISOL Accelerator Facility at the University of Jyväskylä, Finland.
The α-decay branching ratios of the ²¹³Ra ground state have been revised based on comprehensive Geant4 simulations, i.e. ‘virtual experiments’, which were confronted with the experimental results. These findings are supported by theoretical calculations. This work is published in Papers I and II. Using the same method, the proton-decay branch of the ⁵³Co 3174 keV isomer has been studied, which is the content of Paper IV.
In Paper III the results of the ¹²⁷Cd experiment are presented. There the decay scheme of ¹²⁷In populated by the β decay of ¹²⁷Cd was considerably extended and the β feeding into the individual states deduced. Extensive shell-model calculations have been conducted to calculate the energy levels and γ-ray branching ratios of 127In as well as the Gamow-Teller strength distributions of the β decay of the 3/2⁺ and 11/2⁻ states in ¹²⁷Cd. Based on these calculations the experimentally observed decay-scheme of ¹²⁷In could be reproduced remarkably well. The order of the 3/2⁺ and 11/2⁻ state in ¹²⁷Cd has been established, identifying the 3/2⁺ state as the ground state and the 11/2⁻ state as the 283 keV isomer. Furthermore, the phase-depended cleaning method was employed for the first time in an attempt to study the β decay of the ¹²⁷Cd isomer individually.

Abstract (Swedish)

Allt som vi ser och arbetar med i vårt vardagliga liv består av atomer. De är mycket små, omkring 10^-10 meter. De syns inte med blotta ögat, utan kräver avancerade elektronmikroskop. Men atomerna själva består av ännu mindre
beståndsdelar, ett elektronmoln som kretsar kring en kärna.
Atomkärnan består av neutroner och protoner och är bara cirka 10^-15 meter stor. Neutroner och protoner hålls samman av en stark kraft som faktiskt kallas "starka kraften". Samtidigt har protoner en positiv laddning och stöter därför bort varandra. Beroende av balansen mellan protoner och neutroner i atomkärnan kan de vara stabila eller radioaktiva. Om de är radioaktiva betyder det att de sönderfaller efter en viss tid. Det finns fler än 3000 kända kombinationer av protoner och neutroner, "isotoper", som har en livstid längre än 10^-7 sekunder. Men endast 253 av dessa är stabila. Om kärnan inte är helt stabil, sönderfaller den genom utsändning av protoner, neutroner, α partiklar (heliumkärnor), β-strålning eller genom fission. En atomkärna kan också vara i ett exciterad tillstånd. Oftast de-exciteras de till grundtillståndet genom att sända ut fotoner som kallas γ-strålning. Detekterar och analyserar man strålningen kan man fastställa kärnans struktur. Resultat från ett sådant experiment används sedan for att förbättra de teorier som beskriver den underliggande kraft som håller samman atomkärnor.
Eftersom de flesta av de intressanta isotoperna inte finns i naturen samt har korta livstider måste de framställas artificiellt i laboratoriet med en kärnreaktion. Tyvärr är det ofta inte enbart de intressanta isotoperna som produceras i reaktionen utan de flesta producerade atomkärnor är inte de som man vill studera. Därför måste man separera de intressanta isotoperna från alla andra pa något sätt.
Isotoperna som studerades i den här avhandlingen separerades med hjälp av en så kallad "Penning trap". Penningfallor är de mest precisa maskiner som finns för att mäta kärnors massa. Eftersom alla olika isotoper har olika massor, är Penningfallor mycket precisa for att selektera de önskade atomerna. Under vissa omständigheter kan de även selektera ett visst tillstånd hos en isotop. Detta utnyttjades för att studera sönderfallen av ²¹³Ra och ¹²⁷Cd. Vid analysen av ²¹³Ra-experimentet jämfördes resultatet med detaljerade simuleringar av hela sönderfalls- och detektionsprocessen, där renheten av ²¹³Ra-strålen i experimentet blev grundförutsättningen för att få en precis och meningsfull simulering. Vid ett andra experiment sönderföll ¹²⁷Cd till ¹²⁷In. Analysen av γ-strålningen resulterade i identifikation av nya energinivåer i ¹²⁷In. Dessutom har ¹²⁷Cd-sönderfallsprocessen och energinivåer i ¹²⁷In beräknats med den sfäriska skalmodellen. Det konstaterades att den teoretiska beskrivningen kunde reproducera de experimentella observationerna mycket väl.

• author: Lorenz, Ch.
• supervisor: Dirk Rudolph; Pavel Golubev; Luis Sarmiento Pico
• opponent: Dr. Augusto O. Macchiavelli, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA
• organization: Nuclear physics
• publishing date: 2018-12
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: nuclear structure, alpha decay, beta decay, gamma rays, spectroscopy, Penning traps, shell-model calculations, Geant4 Monte Carlo Simulations
• pages: 147 pages
• defense location: Rydbergsalen, Fysiska institutionen, Sölvegatan 14A, Lund
• defense date: 2019-01-25 13:15:00
• ISBN: 978-91-7753-942-1
• ISBN: 978-91-7753-943-8
• project: Quantum-state Selective Nuclear Decay Spectroscopy
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b2c3fa5f-2dd0-4182-935e-91019457701f
• date added to LUP: 2018-12-13 18:02:21
• date last changed: 2019-03-08 02:54:25