Nuclear structure of the neutron-rich nuclei 140Ba and 180Hf
Authors: Χαλήλ Αχμέντ 
Published: September 2021

Η μελέτη των πλούσιων σε νετρόνια πυρήνων αποτελεί ένα από τα πιο ενεργά πεδία έρευνας της σύγχρονης πυρηνικής φυσικής. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι άρτιοι-άρτιοι πυρήνες, μακριά από κλειστούς φλοιούς, κάποιοι από τους οποίους χαρακτηρίζονται από παραμορφωμένο σχήμα. Το φαινόμενο αυτό της παραμόρφωσης, δηλαδή της απόκλισης από το σφαιρικό σχήμα, μπορεί να εξηγηθεί μέσω της αναδιάταξης των μονοσωματιδιακών καταστάσεων, που μπορεί να οδηγήσει σε νέους κλειστούς φλοιούς, που δεν προβλέπονται από το ακραίο πρότυπο των φλοιών. Η ανάπτυξη νέων ανιχνευτικών διατάξεων, ικανών να απαρτίζονται από μεγάλο αριθμό ανιχνευτών, παράλληλα με την ανάπτυξη των ραδιενεργών δεσμών έχουν σημαντικά συνεισφέρει στη γνώση της δομής των πλούσιων σε νετρόνια πυρήνων. Ανιχνευτικές διατάξεις υψηλής απόδοσης στη γ-φασματοσκοπία έχουν βελτιώσει σημαντικά το βαθμό της πληροφορίας που μπορούμε να λάβουμε από ένα πυρήνα, καθώς πλέον μπορούν να πραγματοποιηθούν μετρήσεις μεγαλύτερης ακρίβειας σε σημαντικά μικρότερο εργαστηριακό χρόνο. Οι πλούσιοι σε νετρόνια πυρήνες μπορούν να διεγερθούν με αντιδράσεις μεταφοράς νουκλεονίων, οι οποίες αποτελούν ένα δημοφιλές εργαλείο για μελέτες πυρηνικής δομής και η χρήση του έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα επιτυχής. Σε αυτή τη διατριβή, μελετήθηκαν πειραματικά οι δύο πλούσιοι σε νετρόνια πυρήνες 180Hf και 140Ba. Πραγματοποιήθηκαν δύο πειράματα κατόπιν υποβολής επίσημης ερευνητικής πρότασης και αξιολόγησης από Διεθνή Επιτροπή (PAC) στο εργαστήριο επιταχυντή Tandem του IFIN-HH, στο Βουκουρέστι της Ρουμανίας. Και οι δύο πυρήνες σχηματίστηκαν έπειτα από αντιδράσεις μεταφοράς νουκλεονίων, ενώ η εκπομπή της γ-ακτινοβολίας που ακολούθησε την αποδιέγερσή τους, ανιχνεύτηκε από τη συστοιχία ανιχνευτών ROSPHERE. Ο σταθερός πυρήνας 180Hf βρίσκεται σε μια περιοχή μαζών του ισοτοπικού χάρτη, όπου τα πρωτόνια και τα νετρόνιά του χαρακτηρίζονται από τροχιακά με υψηλές τιμές της Ω στροφορμής σε ελλειψοειδείς πυρήνες, κοντά στην ενέργεια Fermi. Αυτό αποτελεί αιτία για την παρουσία ισομερών καταστάσεων με υψηλή προβολή στροφορμής K, η οποία μαζί με τις αντίστοιχες περιστροφικές ζώνες μπορούν να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την διάταξη των μονοσωματιδιακών καταστάσεών του. Στην παρούσα εργασία, ο πυρήνας 180Hf σχηματίστηκε μέσω της αντίδρασης 181Ta(11B,12C)180Hf για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία, προκειμένου να διερευνηθεί αν υπάρχουν νέα υποψήφια K-ισομερή. Επιπλέον στόχος ήταν η μέτρηση των άγνωστων τιμών σπιν-ομοτιμίας καταστάσεων και του λόγου ανάμειξης διαφόρων μεταπτώσεων. Οι μετρήσεις των λόγων ανάμειξης είναι ιδιαίτερα σημαντικές, καθώς μπορούν να καθορίσουν το βαθμό επιμερισμού της πολυπολικότητας των μεικτών ηλεκτρομαγνητικών μεταβάσεων και συνεπώς είναι απαραίτητες για τη δοκιμή διάφορων θεωρητικών μοντέλων. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για σπιν-ομοτιμίες της ζώνης διέγερσης της βασικής κατάστασης (g.s. band) έως την ενεργειακή στάθμη των 1084 keV, των καταστάσεων 1370 keV (ζώνη 6), 1374 keV (ζώνη 2) και των καταστάσεων 1821 και 1608 keV, οι οποίες δεν ανήκουν σε κάποια συγκεκριμένη ζώνη διέγερσης μέχρι σήμερα. Ειδικότερα για την ενεργειακή στάθμη των 1374 keV, η τιμή που βρέθηκε σε αυτή την εργασία ευνοεί την τιμή σπιν/ομοτιμίας 4–. Αυτή η μέτρηση διευθετεί τη διαφωνία που βρίσκεται στη βιβλιογραφία μεταξύ των τιμών σπιν-ομοτιμίας 3– και 4–. Αντίστοιχα, για τη μετάβαση 1374 -> 309 keV, ο λόγος ανάμειξης βρέθηκε να συμφωνεί με την προηγούμενη τιμή της βιβλιογραφίας, με μια τιμή ακριβέστερη κατά περίπου 60%. Επιπροσθέτως, μετρήθηκαν λόγοι ανάμειξης των μεταβάσεων 1370 -> 309, 1608 -> 1200 και 1821 -> 1200 keV. Για μετρήσεις όπου η στατιστική δεν επαρκεί για μια μόνο τιμή, παρουσιάζονται όλες οι πιθανές τιμές σπιν-ομοτιμίας και λόγου ανάμειξης. Ο δεύτερος πυρήνας που μελετήθηκε είναι ο πυρήνας 140Ba. Υπάρχουν σοβαρές ενδείξεις ότι ο συγκεκριμένος πυρήνας χαρακτηρίζεται από υψηλές οκταπολικές αλληλοσυσχετίσεις. Το φαινόμενο των υψηλών οκταπολικών αλληλοσυσχετίσεων έχειπαρατηρηθεί στις ισοτοπικές αλυσίδες του Ραδίου και του Βαρίου, και οι αντίστοιχοι πυρήνες φαίνεται χαρακτηρίζονται από ένα ''αχλαδοειδές" σχήμα (pear-shaped nuclei). Δύο πρόσφατες μετρήσεις σε γειτονικά ισότοπα τού 140Ba (144,146Ba) εμφάνισαν τιμές των αντίστοιχων ανηγμένων πλατών μετάβασης που υπερβαίνουν κάθε θεωρητική πρόβλεψη. Επιπλέον, τα φασματοσκοπικά δεδομένα του 140Ba είναι μέχρι σήμερα εξαιρετικά ελλιπή, καθώς μόνο ο χρόνος ημιζωής της στάθμης 2^+_1 είναι γνωστός. Ο πυρήνας σχηματίστηκε μέσω της αντίδρασης μεταφοράς δύο νετρονίων 138Ba(18O,16O)140Ba. Παρά τις υψηλές τεχνικές δυσκολίες, όπως πχ. την κατασκευή του στόχου, τροφοδοτήθηκαν οι ενεργειακές στάθμες στη μπάντα της βασικής κατάστασης μέχρι την κατάσταση 8+. Ο βαθμός της τροφοδοσίας ήταν ικανός, ώστε να εξαχθούν κάτω όρια στις τιμές των χρόνων ημιζωής των υπολοίπων καταστάσεων της ζώνης διέγερσης της βασικής κατάστασης. Επίσης, καθώς η συγκεκριμένη αντίδραση χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για τη δημιουργία του 140Ba μετρήθηκαν οι σχετικές ενεργοί διατομές των αντιδράσεων 138Ba(18O,16O)140Ba ως προς την αντίδραση 138Ba(18O,4n)152Gd και ως προς το κανάλι ανελαστικής σκέδασης. Χρησιμοποιώντας θεωρητικούς υπολογισμούς για την αντίδραση 138Ba(18O,4n)152Gd, κατέστη δυνατή η εξαγωγή των, άγνωστων μέχρι σήμερα, ενεργών διατομών της αντίδρασης μεταφοράς 2 νετρονίων 138Ba(18O, 16O)140Ba, για ενέργειες δέσμης 61-67 MeV, κοντά στο φράγμα Coulomb. Μετρήσεις των ενεργών διατομών της συγκεκριμένης αντίδρασης είναι σημαντικές τόσο για λόγους πυρηνικής δομής, όσο και για τη μελέτη του μηχανισμού που πραγματοποιούνται γενικότερα οι αντιδράσεις μεταφοράς δύο νετρονίων. Παρόλο που η κατάσταση 3– (η οποία μπορεί να καθορίσει το βαθμό των οκταπολικών αλληλοσυσχετίσεων) δεν τροφοδοτήθηκε επαρκώς στο συγκεκριμένο πείραμα, πιθανότατα λόγω πολύ χαμηλής ενεργού διατομής στη συγκεκριμένη αντίδραση, τα συμπεράσματα που εξάγονται είναι επαρκώς ισχυρά για να καθοδηγήσουν μελλοντικέςμελέτες για τον πυρήνα 140Ba, τόσο σε ό,τι αφορά το ερώτημα σχετικά με την ισχύ των οκταπολικών αλληλοσυσχετίσεων στα ισότοπα του βαρίου, όσο και την επιλογή μελέτης του μέσω εναλλακτικών τεχνικών, που φαίνεται ότι απαιτεί ειδικές και δύσκολες να επιτευχθούν πειραματικές συνθήκες (ραδιενεργές δέσμες σε αντίστροφη κινηματική).