Badanie struktury stanów wzbudzonych w jądrach atomowych z obszaru N > 50

W rozprawie doktorskiej zaprezentowano wyniki badań prowadzonych w obszarze A∼100 powyżej zamkniętej powłoki neutronowej N=50, ze szczególnym uwzględnieniem mechani zmów powstawania i ewolucji kolektywności. Aktualny stan wiedzy w tym zakresie omówiono we wstępie do pracy. Główna część pracy składa się z dwóch części. W pierwszej, przedstawiono i zinterpreto wano wyniki pomiarów rozpadu β − neutronowo nadmiarowych jąder 87Se oraz 89Se produko wanych w reakcji rozszczepienia naturalnego Th indukowanego protonami i wyseparowanych za pomocą pułapki Penninga, w JYFL w Jyväskylä. W drugiej, przedstawiono i zinterpreto wano wyniki pomiarów reakcji 97Mo(nth,γ) 98Mo wykonanych z wykorzystaniem spektrometru FIPPS, w ILL w Grenoble. W jądrze 87Br zidentyfikowano 51 nowych stanów wzbudzonych oraz 114 nowych przejść γ. Wyznaczono zasilanie stanu podstawowego w rozpadzie β − wynoszące 23(5)%. Ponadto, dane eksperymentalne potwierdziły przypisanie spinu 5/2 − do stanu podstawowego jądra 87Br. Do datkowo potwierdzono istnienie niskoleżącego stanu wzbudzonego o energii 6.02 keV. W roz padzie β − zaobserwowano również populację stanu 9/2 +, 1463.89 keV, który zidentyfikowano jako wzbudzenie jednocząstkowe πg9/2. Stan ten prawdopodobnie ma charakter izomeryczny z czasem życia wynoszącym około 20 ns. Obserwowane stany wzbudzone zinterpretowano w kontekście modelu powłokowego oraz anomalnego sprzęgania struktury jednocząstkowej z kolektywnością kwadrupolową. Stany wzbudzone w neutronowo nadmiarowym jądrze 89Br, populowane w rozpadzie β jądra 89Se, zostały zidentyfikowane po raz pierwszy. Istniejący schemat stanów wzbudzonych rozszerzono o 12 nowych stanów wzbudzonych oraz 31 nowych przejść γ. Zaproponowano spin (3/2+) dla stanu podstawowego jądra 89Se, zastępujący wcześniejszą wartość (5/2+). Obserwowany rozpad Gamowa-Tellera do stanu 5/2+, 1754.5 keV sugeruje, że struktura tego stanu jest oparta na konfiguracji πg9/2. Ponadto, zaproponowano kandydatów na wzbudzenia jednocząstkowe πp3/2 oraz πf5/2. Pozostałe stany wzbudzone zinterpretowano w kontekście anomalnego sprzęgania. Wyniki otrzymane dla jąder 87Br i 89Br zinterpretowano w szerszym kontekście systema tyk izotonów N=50, N=52 oraz N=54 oraz porównano z obliczeniami teoretycznymi LSSM, aby uzyskać lepszy wgląd w strukturę obserwowanych stanów wzbudzonych. Obliczenia pra widłowo odtworzyły pozycję większości stanów wzbudzonych obserwowanych eksperymentalnie. Szczególny nacisk położono na odtworzenie pozycji orbitala πg9/2 oraz odpowiadającego mu wzbudzeniu 9/2+. Stany te dostarczają informacji o energii kluczowej powłoki πg9/2 względem zamkniętej, głównej powłoki Z=28. W części pracy dotyczącej pomiaru 97Mo(nth,γ) 98Mo szczegółowo omówiono procedurę analizy danych w tym kalibrację energetyczną oraz wydajnościową. Przedstawiono również technikę pomiarów korelacji kątowych oraz polaryzacji liniowej z wykorzystaniem detektorów typu clover. Analiza zebranych danych pozwoliła na zidentyfikowanie 148 stanów zbudzonych oraz 712 przejść γ w jądrze 98Mo. Pomiary korelacji kątowych oraz polaryzacji liniowej pozwoliły na weryfikację spinów i parzystości stanów wzbudzonych. Otrzymane wyniki zostały zinterpretowane w kontekście ewolucji kolektywności w izotonach N=56. Szczególną uwagę zwrócono na „katalityczne” własności grupy orbitali protonowych 3/2−[301], 5/2−[303] i 1/2−[301], dostarczających dodatkowe protony w pobliże energii Fermiego. Zaproponowano, że te dodatkowe protony są przekazywane na orbitale zdeformowane πg9/2, jednocześnie generując stany wzbudzone 0+. Stany wzbudzone 0+1 oraz 0+2 wykazują pewien stopień kolektywności, który prawdopodobnie jest wynikiem mieszania się wyżej leżących stanów wzbudzonych 0+. Dodatkowo stan wzbudzony 0+2 w jądrze 98Mo prawdopodobnie wykazuje domieszkę ekstrudera 9/2+[404]. Duża liczba orbitali aktywnych w pobliżu energii Fermiego pozwala wyjaśnić zwiększoną gęstość poziomów obserwowaną w jądrach 98Mo i 100Ru. Licznie obserwowane stany wzbudzone 2+ i 4+ obserwowane przy energii wzbudzenia około 3 MeV są najprawdopodobniej efektem wzbudzeń jednocząstkowych, podobnie jak struktura stanów 2+1 w obszarze A∼100. Nowym efektem obserwowanym w jądrze 98Mo jest obserwacja pasma proto-γ opartego na stanie wzbudzonym 2+2, 1432.28 keV. Jest to struktura, będąca efektem mieszania się stanów wzbudzonych 2+ i 4+ obecnych przy energii około 3 MeV, która ewoluuje w pasma γ wraz ze wzrostem liczby neutronów. Aby zweryfikować tę teorię konieczne są dodatkowe badania, w szczególności obliczenia, weryfikujące tę hipotezę. Ze względu na prostą strukturę neutronową izotony N=56, a w szczególności jądro 98Mo, są dobrym miejscem do badań roli wzbudzeń jednocząstkowych w powstawaniu oraz późniejszej ewolucji efektów kolektywnych w tym obszarze wraz ze wzrostem liczby protonów na powłoce πg9/2. Jak pokazano w pracy powłoka ta jest aktywna już przy Z=35. Jednakże, w izotopach Br na tej powłoce znajduje się pojedynczy proton i wzbudzenia tam obserwowane mają charakter jednocząstkowy. Dopiero powyżej Z=40, gdy obsadzenie powłoki πg9/2 wzrasta, pojawiają się efekty kolektywne. W pracy zaproponowano różne mechanizmy powstawania efektów kolektywnych. Wymagają one potwierdzenia w innych pracach eksperymentalnych oraz obliczeniach teoretycznych. Przykładem może być uboga informacja dotycząca stanów wzbudzonych powyżej 4 MeV w jądrze 100Ru56. Ponadto, wiele zidentyfikowanych stanów wzbudzonych powyżej 2.5 MeV nie ma jednoznacznie przypisanych wartości spinów i parzystości.

In the doctoral dissertation, the results of the research conducted in the A∼100 region above the closed neutron shell N=50 are presented, with particular emphasis on mechanisms of the emergence and the evolution of collectivity in this region. The current state of knowledge in this field is presented in the introduction to the work. The main part of the thesis consists of two sections. In the first section, the results of β − decay measurements and interpretation of neutron-rich nuclei 87Se and 89Se are presented. The Se nuclei were produced in proton induced fission of natural Th and separated with Penning trap at JYFL Jyväskylä. In the second section, the results of measurements of the 97Mo(nth,γ) 98Mo reaction using the FIPPS spectrometer at ILL Grenoble were presented and interpreted. In the 87Br nucleus, 51 new excited states and 114 new γ transitions were identified. The feeding of the ground state in the β − decay was determined to be 23(5)%. Additionally, the experimental data confirmed the spin assignment of 5/2 − to the ground state of 87Br. Furthermore, the existence of a low-lying excited state with energy of 6.02 keV was confirmed. In the β − decay, the population of the 9/2 + state at 1463.89 keV was observed, identified as a single particle πg9/2 excitation. This state is likely an isomer with a half-life of about 20 ns. The observed excited states were interpreted in the context of the shell model and the anomalous coupling of single-particle structure with quadrupole collectivity. In the neutron-rich nucleus 89Br, populated in the β − decay of 89Se, excited states were identified for the first time. The existing scheme of excited states was extended by 12 new excited states and 31 new γ transitions. The spin-parity (3/2+) was proposed for the ground state of 89Se, replacing the previous value of (5/2+). The observed Gamow-Teller decay to the 5/2 + state at 1754.5 keV suggests that the structure of this state is based on the single particle πg9/2 configuration. Additionally, candidates for single-particle, πp3/2 and πf5/2, excitations were proposed. The remaining excited states were interpreted in the context of the anomalous coupling. The results obtained for 87Br and 89Br were interpreted in the broader context of N=50, N=52, and N=54 systematics and compared with theoretical calculations using the LSSM model to gain a better insight into the structure of the observed states. The calculations correctly reproduced the positions of the majority of experimentally observed excited states. Particular emphasis was placed on reproducing the position of the πg9/2 orbital and its corresponding 9/2+ state. These states provide information about the key energy of the πg9/2 shell relative to the closed, major Z=28 shell. The part of the work concerning the 97Mo(nth,γ) 98Mo measurement discusses in detail the data analysis procedures, including energy and efficiency calibration. The measurement technique of angular correlations and linear polarization using clover detectors was also presented. The analysis of the collected data allowed the identification of a total of 148 excited states and 712 γ transitions in the nucleus 98Mo. Measurements of angular correlations and linear polarization allowed verifying the spins and parities of the excited states. The obtained results were interpreted in the context of collective evolution in N=56 isotones. Special attention was given to the ¨catalytic¨properties of proton orbitals, providing additional protons near the Fermi energy. It was proposed that these additional protons are transferred to the deformed πg9/2 orbitals, simultaneously generating 0+ excited states. The observed 0 +1 and 0+2 excited states show some degree of collectivity, likely resulting from the mixing of higher-lying 0+ excited states. Additionally, the 0+2 excited state in 98Mo likely exhibits some 9/2+ configuration. The large number of active orbitals near the Fermi energy explains the increased level density observed in 98Mo and 100Ru nuclei. The numerous 2+ and 4+ excited states, observed at an excitation energy of around 3 MeV are most likely the result of single-particle excitations, similarly to the structure of the 2+1states in the A∼100 region. The new effect in98Mo is the proto-γ band based on the 2+2excited state at 1432.28 keV. This structure resultsfrom the mixing of the 2+ and 4+ excited states present at an energy of about 3 MeV and evolves into γ bands as the number of neutrons increases. Additional studies, particularly theoretical calculations, are required to verify this hypothesis. Due to their simple neutron structure the N=56 isotones, especially the nucleus 98Mo, are an excellent place for investigating the role of single-particle excitations in the emergence and evolution of collective effects in this region with the increasing number of protons in the πg9/2 shell. As shown in the thesis, this shell becomes active already at Z=35. However, in Br isotopes there is a single proton on this shell and the excitations observed there have a single-particle character. It is only above Z=40, when the occupation of the πg9/2 shell increases, that collective effects appear. Various mechanisms for the formation of collective effects were proposed in the doctoral dissertation. However, they require confirmation in other experimental studies and theoretical calculations. An example of this is the limited information about the excited states above 4 MeV in the 100Ru56 nucleus. Furthermore, many excited states identified above 2.5 MeV do not have unambiguously assigned spins and parities