Statistical properties of exotic isotopes at HIE-ISOLDE

Eksotiske isotopers statistiske egenskaper ved HIE-ISOLDE Hva skjer med atomkjerner når kjernereaksjoner gjør at de varmes opp? Hvordan endrer temperaturen til kjernematerien seg og hvordan hvilke energier foretrekker atomkjernene å sende ut stråling med når de kjøles ned til sin grunntilstand? Oslometoden utviklet ved Universitetet i Oslo har bidratt til å delvis svare på disse spørsmålene det siste tiåret ved å undersøke atomkjerners statistiske egenskaper. Et av de store spørsmålene som gjenstår er hvordan disse statistiske egenskapene endrer seg for protonrike eller nøytronrike atomkjerner. I hvilken grad er vår kunnskap fra eksperimenter med stabile isotoper som utgangspunkt overførbart til eksotiske kjerner Prosjektet søker å bidra til å skaffe svar på disse spørsmålene for radioaktive atomkjerner gjennom videreutvikling av Oslometoden og instrumentering til å passe forsøk med radioaktive stråler. Atomkjerner er byggeklossene tingene rundt oss er laget av. De kjemiske egenskapene til et atom kommer an på hvor mange protoner det er i atomkjernen. Hvilket isotop en atomkjerne er kommer ant på antall nøytroner og det er også antall nøytroner sammenlignet med antall protoner som avgjør om en atomkjerne er stabil, eller om den er radioaktiv og kan henfalle og dermed bli til et annet isotop. Rundt oss til hverdags er det stort sett stabile isotoper ting er laget av. Det å forstå eksotiske, radioaktive isotoper som ikke lengre fins i jordskorpa er likevel viktige å forstå. Radioaktive isotoper med kort levetid fins i stjerner som lager tyngre grunnstoffer og hvordan de oppfører seg har for eksempel mye å si for hvor mye som blir laget av forskjellige isotoper. ISOLDE utnytter de høyenergetiske protonene på CERN til å produsere radioaktive isotoper som vi ikke finner i naturen her på jorda. De radioaktive isotopene ioniseres, massesepareres og akselereres slik at vi kan gjøre forsøk med de radioaktive isotopene som stråle. HIE-ISOLDE er en oppgradering av infrastrukturen slik at eksperimenter som krever høyere energi kan gjøres. Det er et mål for prosjektet å undersøke de statistiske egenskapene til radioaktive isotoper ved HIE-ISOLDE. Som forberedelse for framtidige eksperimenter ved HIE-ISOLDE ble eksperimenter ved Oslo syklotronlaboratorium gjennomført 2013/2014. For å tolke disse eksperimentene ble virkningstverrsnittutregninger gjennomført og simuleringer ble gjort. Disse resultatene er nå klare til publisering. Forsøk med radioaktive stråler byr på en del særegne utfordringer. For det første er det vanskelig å få mange nok målinger fordi det er vanskelig å produsere veldig mange av de radioaktive atomkjernene man er interessert i bruke til eksperimentet. Det gjør at vi må utvikle våre metoder slik at de passer til eksperimenter med radioaktive stråler. Som et ledd i dette arbeidet har vi i 2014 gjennomført et testeksperiment med stabil stråle av kryptonioner ved iThemba labs i Sør-Afrika. Målet med forsøket er å finne det beste targetmaterialet for eksperimenter ved HIE-ISOLDE med radioaktiv stråle og finne ut hvordan simuleringer best kan utnyttes for å få mest mulig ut av forsøkene våre. Analysen av data pågår og vil danne grunnlaget for innkjøp til eksperimenter ved HIE-ISOLDE. I mai 2015 fullførte vi siste del av eksperimentet ved iThemba labs. Dette blir første gangen Oslometoden brukes i et eksperiment hvor den tunge atomkjernen er strålen og den lette er i target (målskiva). Analysen pågår. På sikt vil bedre masseseparasjon være viktig for mange av eksperimentene vi ser for oss å gjennomføre i framtiden ved HIE-ISOLDE. Oslometoden krever at strålen består av over 90% av isotopen man ønsker og for enkelte isotoper av interesse er dette ikke mulig med eksisterende separatorer. I perioden mai - september 2014 tilbrakte jeg tiden min på CERN hvor jeg jobbet med beregninger og simuleringer for løsninger på separasjonsbehovet for framtidige eksperimenter. Dette arbeidet ble fortsatt sommeren 2015. Vi har nå kommet fram til en design og arbeider med å optimalisere magnetdesignen for masseseparatoren. En konferanseartikkel som diskuterer magnetdesign er levert til fagfellevurdering hos Nuclear Instrumentation and Methods B og et utkast til artikkel om den fulle designen er snart klart. De første testene med radioaktiv stråle fra den nye HIE-ISOLDE akseleratoren skjedde i månedsskiftet oktober-november 2015. Vårt eksperiment ble gjennomført i november 2016.

Nuclear structure studies have been limited to stable or near stable isotopes in the past. The availability of radioactive ion beams (RIB) enlarges the scope of such studies considerably as exotic nuclei far from stabilty become accessible for the first t ime. The ISOLDE facility at CERN has a long history of producing radioactive ions. The acceleration of these ions with the REX accelerator offers unique possibilities and makes ISOLDE the facility with the widest variety of RIB world wide. The world-leadi ng role of ISOLDE will be strengthened in the future with an energy and intensity upgrade (HIE-ISOLDE). The scientific subject of the proposed postdoc project is statistical properties of nuclei far from stability. After the upgrade to HIE-ISOLDE we plan to look at transfer reactions and extend the research program done on stable nuclei in Oslo, to exotic nuclei at HIE-ISOLDE. As a PhD student the project leader was based at CERN-ISOLDE for two years, working on simulations of different spectrometer des igns for HIE-ISOLDE. Such a spectrometer is vital for reaction studies and the technical subject of this project is to continue the design study for a spectrometer for HIE-ISOLDE.