Egzotik çekirdeklerde uyarılmış seviye ömürleri ve nükleer momentler
Nuclear moments and lifetimes of excited states in exotic nuclei
Yazar: ASLI KUŞOĞLU
Danışman: PROF. DR. İSMAİL MELİH BOSTAN ; DR. GEORGI GEORGIEV
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Nükleer Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Nükleer yapı çalışmaları için vazgeçilmez kuramsal bir çerçeve olan ve diğer nükleer modellerin karşılaştırılması açısından standart oluşturan nükleer kabuk modeli, sihirli sayılar olarak adlandırılan sayılarda nükleonlara sahip kapalı kabukların varlığını öngörmektedir. Nükleer yapı çalışmalarında anahtar öneme sahip olan soru, nükleer kararlılık eğrisi uzağında bu sihirli sayıların varlığının geçerli olup olmadığıdır. Kapalı kabuklara yakın çekirdekler, kabuk model kuramı uygulamaları için önemli bir test alanıdır ve bu nedenle oldukça fazla sayıda kuramsal ve deneysel çalışmaya öncülük etmiştir. 

Statik nükleer momentler hakkında bilgi edinmek, nükleer seviyelerin tek parçacık ve kolektif yapılarının açıklıkla anlaşılması bakımından büyük öneme sahiptir. Nükleer kuadrupol moment, deformasyonla doğrudan ilintili iken, manyetik moment, valans nükleonların tek parçacık yapısına duyarlıdır. Bu momentler, nükleer modellerin geçerliliğini test etmek açısından mükemmel bir araç görevi sağlarlar. Radyoaktif huzme elde edilebilen hızlandırıcıların gelişimi, günümüzde kararlılık eğrisinin uzağında yer alan egzotik çekirdeklerin spin ve nükleer momentlerinin incelenmesine olanak sağlar. Ancak, radyoaktif huzme olarak elde edilebilen egzotik çekirdeklerin uyarılmış durum spin ve momentlerinin ölçümü güvenilir yöntemlerin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu tür yöntemlerin başarılı gelişmeleri, yeni nükleer yapı olgularının ortaya çıkarılması bakımından olanaklar yaratacaktır. 
Bu tezde anlatılan çalışma iki deneyden oluşmaktadır. Gerçekleştirilen ilk ve tezin ana kısmı olan deneysel çalışma Fransa ALTO'da (Accélérateur Linéaire auprs du Tandem d' Orsay) gerçekleştirildi. Bu deneyde piko saniye mertebesinde kısa yarı ömürlü seviyenin g faktör bilgisinin yüksek duyarlılıkta elde edilmesi amaçlandı. Kısa yarı ömürlü (piko saniye) seviyelerin g faktör bilgisinin yüksek duyarlılıkla elde edilmesi kararlı çekirdekler için dahi oldukça zor bir çalışmadır. Stuchbery, Mantica ve Wilson radyoaktif huzmelerin kullanımı için Zaman Diferansiyelli Vakumda Geri Tepme (Time-Differential Recoil-In-Vacuum - TDRIV) yönteminde değişiklik önermişlerdir. Bu yeni TDRIV yöntemi, proton-nötron sayıları eşit (N = Z) olan eşlenik çekirdek 24Mg'un (uyarılma enerjisi Eex = 1368.675(6) keV, ortalama ömrü τ = 1.97(5) ps) ilk uyarılmış seviyesinin g faktör ölçümü için ilk kez uygulandı. Seviyenin ömrü piko-saniye mertebesinde olduğundan, seviye g faktörü, çekirdeğin oldukça yüksek manyetik alan (kT) etkisi altında spin presesyon hareketi yapması ile ölçülebilir. Bu tür yüksek manyetik alanlar çekirdekte sadece aşırı ince yapı etkileşmesi sonucu üretilebilir. Yüksek duyarlıklı g faktör değeri, g = 0.538±0.013, ağırlıklı olarak hidrojen benzeri iyonlar kullanılarak elde edildi. Elde edilen deneysel değer yakın zamanda geliştirilen kabuk model hesaplamaları ile son derece uyumludur ve 0.5 değerinden 3 standart sapma göstermektedir. Bu ölçüm, sd-kabuğunda, 2+ seviyesinin, yakın zamanda geliştirilen kabuk model öngörüleri ile karşılaştırılabilecek duyarlılık ve kesinlikte elde edilebilen bir g faktör ölçümüdür. Bu yeni yöntemin manyetik moment ölçümündeki başarısı, radyoaktif huzme olarak elde edilebilen egzotik çekirdeklerin uyarılmış seviye manyetik momentlerinin ölçülebilmesi için oldukça geniş bir uygulama alanı açmaktadır.

İkinci deney RIKEN, Japonya'da gerçekleştirildi. İzomer seviyelerin manyetik momentlerinin ölçülmesi için en etkili yöntemlerden biri, Zaman Bağımlı Pertürbe olmuş Açısal Dağılım (Time Dependent Perturbed Angular Distribution - TDPAD) yöntemidir. Göreli olarak uzun yarı ömürlü izomer seviyeler, nükleer yapıları açısından, manyetik momentlerinin belirlenebildiği daha derin bilgi edinilmesine olanak sağlarlar. Bu deneyde, nötron zengin 69Cu izotopunun, (Eex = 2551.4(5), T1/2 = 351(14) ns) 13/2+ isomer seviyesinin daha duyarlı g faktör ve kuadrupol moment ölçümleri, TDPAD yöntemi ile gerçekleştirildi. Nükleer manyetik moment ölçümleri için ana gereksinimlerden biri, uyarılmış seviyenin spin-yönelimli olarak elde edilmesidir. Deney sonucunda, çok parçacık konfigürasyonlu seviyenin, tek nükleon ayrılması ile spin doğrultma elde edildi. İlgilenilen seviyenin g faktör değeri g(13/2+) = +0.248(9), bir önceki deneyle uyumlu olarak elde edildi. 69mCu çekirdeğinin g faktör ölçüm verisinden, tepkime sonucu % - 3.3(9) spin doğrultması elde edildi. Önceki deneye oranla, iyileştirilmiş deney koşullarının sağlanması, 69mCu izomer seviyesi için daha yüksek spin yöneliminin elde edilmesine olanak vermiştir. Nötron zengin 69Cu çekirdeğinin 13/2+ izomer seviyesinin bu deneyde gerçekleştirilen g faktör ölçümlerinin, bu izomer seviyenin büyük ölçekli kabuk model hesaplamalarının öngördüğü konfigürasyona kıyasla, saf tek parçacık yapısının gözden geçirilmesi beklenmektedir. 69Cu izotopunun 13/2+ izomer seviyesinin spektroskopik kuadrupol momenti               |Qs | = 0.231(6) b olarak elde edildi.

Abstract:
The nuclear shell-model, which provides an indispensable theoretical framework for nuclear structure studies and remains the standard of comparison for other models, established the existence of closed shells having certain numbers of nucleons called magic numbers. A key question in nuclear research is the persistence of these magic numbers when moving away from the valley of stability. Nuclei near closed shells are important testing grounds for shell-model theories and have therefore attracted considerable experimental and theoretical research interest.

Knowledge of static nuclear moments is of great importance to get a clear understanding of the single-particle structure and the collective nature of nuclear states. The magnetic moment is sensitive to the single-particle nature of the valence nucleons, while the nuclear quadrupole moment provides a direct link to the deformation. These moments provide us an excellent tool to test the validity of nuclear theories. The development of radioactive beam facilities allows nowadays studying nuclear spins and moments of exotic nuclei which are far from the stability line. However, the measurement of magnetic moments of exotic nuclei produced as radioactive beams requires the development of reliable methods. Successful development of such methods would open up the possibility to discover new nuclear structure phenomena.

The study outlined in this thesis is formed by two experiments. The first experiment, and the main part of the thesis, was performed at ALTO (Accélérateur Linéaire auprs du Tandem d' Orsay, France). This experiment aimed to obtain high precision g-factor information on a short-lived picosecond state. Obtaining high precision g-factor information on short-lived (picosecond) states is a challenging task, even for stable nuclei. Stuchbery, Mantica and Wilson proposed a modification of the Time-Differential Recoil-In-Vacuum (TDRIV) method for use with radioactive beams. This new TDRIV method was applied for the first time to perform a g -factor measurement on the first-excited state in the self-conjugate (N = Z) nucleus 24Mg (excitation energy Eex = 1368.675(6) keV, mean lifetime τ = 1.97(5) ps). Since the lifetime of the state is of the order of picoseconds, its g factor can be measured only via the spin precession of the nucleus in an extremely strong magnetic field (kT). Such fields can only be produced at the nucleus by hyperfine interactions. A high precision g-factor value,                            g = 0.538 ± 0.013, was obtained using predominantly hydrogen-like ions. The obtained experimental value is in excellent agreement with recent shell-model calculations and shows a departure from 0.5 by almost 3 standard deviations. This is the only g -factor measurement on a 2+ state in the sd-shell with sufficient precision and accuracy needed to test the recent shell model predictions. Proof of the new method opens the way for wide applications including measurements of the magnetism of excited states of exotic nuclei produced as radioactive beams.

The second experiment was performed at RIKEN, Japan. One of the very powerful methods to measure nuclear moments of isomeric states is the Time-Dependent Perturbed Angular Distribution (TDPAD). The relatively long-lived nuclear isomeric states provide opportunities to gain deeper insight into their structure e.g. by determining their moments. This experiment achieved more precise measurements of the g factor and quadrupole moment of the 13/2+ (Eex = 2551.4(5), T1/2 = 351(14) ns) isomeric state in the neutron-rich isotope 69Cu with the TDPAD method. One of the main requirements in order to measure a nuclear magnetic moment is to produce a spin-oriented ensemble. The result of the experiment demonstrates the possibility of obtaining spin alignment in a single-nucleon removal, even for multi-quasi particle states. The g factor of the state of interest was obtained as g(13/2+) = 0.248(9) in agreement with the previous measured value. As a result of the reaction, - 3.3(9)% spin alignment was obtained for 69mCu from g-factor measurement data. This higher degree of spin alignment has been reached for the 69mCu isomeric state due to the improvement of the experimental conditions compared to the previous measurement. The measurement of the g factor of the 13/2+ isomeric state in neutron-rich 69Cu, achieved by this study, is expected to review purity of the single-particle-like configuration of this isomeric state compared with the one suggested by large scale shell model calculations. The spectroscopic quadrupole moment was obtained as |Qs| = 0.231(6) b of the 13/2+ isomeric state in 69Cu.