Nuclear shell evolution towards the terra incognita

En viktig retning innen kjernefysikk dreier seg om å forstå grensene for eksistensen til nøytronrike kjerner. Vår oppgave er ikke bare å vise at disse grensene eksisterer, men å produsere svært kortlivede eksotiske isotoper i store nok mengder til å kunne studere deres egenskaper ved bruk av eksperimentelle teknikker som har eksistert for stabile kjerner siden 1950-tallet. Den teoretiske interessen for å studere kjernene nær nøytron dryppplinjen er motivert av det faktum at disse kjernenes skallstruktur vil skille seg fra skallstrukturen til de "normale" kjernene som ligger nær stabilitetslinjen. Enhver endring i proton eller nøytron single-partikkel energier kan føre til at nye magiske tall erstatter de tradisjonelle (2, 8,20, 28, 50, 82 og 126). Denne endringen i kjernenes skall kalles "Nukleær skallutvikling". Mitt prosjekt går i all hovedsak ut på å studere Nukleær skallutvikling i området rundt isotopen 78Ni. Blant de dobbeltmagiske kjernene (som har magisk antall protoner og nøytroner) representerer 78Ni (med sine 28 protoner og 50 nøytroner) et unikt springbrett mot en forståelse av ekstremt nøytronrike kjerner grunnet dens ekstreme nøytron til proton ratio (~1.8). Derfor er 78Ni hovedfokuset i svært mange eksperimentelle og teoretiske anstrengelser. Når vi beveger oss fra den relativt langlivede isotopen 68Ni (Z=28, N=40) til den svært kortlivede 78Ni (Z=28, N=50), antar vi at proton single-partikkel energiene vil modifiseres, noen til og med inverteres, grunnet det økende antallet nøytroner. Videre vil Z=28 skallgapet antas a minke som et resultat av økende effekten av tensor vekselvirkningen; en av de ikke-sentrale komponentene i nukleon-nukleon vekselvirkningen. Skallstrukturen i nikkelkjeden er dårlig kjent grunnet den store N/Z ratioen, noe som gjør den lite tilgjengelig i eksisterende spektroskopiske teknikker. I denne sammenhengen dukker nøytronrike Cu kjerner, med ett proton utenfor Z=28 skallet og N mellom 40 og 50 skallet, opp som avgjørende modeller. De viktigste Cu isotopene er som undersøkes er 69-79Cu. Beskrivelsen av de eksiterte nivåene til Cu og sammenlikninger med prediksjoner innen skallmodellen vil gi den eksperimentelle basisen for å lete etter endringer i skallstrukturen rundt 78Ni og gir oss muligheten til å utforske den prediktive kraften til kjernevekselvirkninger. Det finnes svært lite informasjon om de eksiterte tilstanden til Cu isotopene fra 75Cu til 79Cu. Vi ønsker å undersøke egenskapene til de nøytronrike isotopene 75Cu (Z=29, N=46) og 77Cu (Z=29, N=48) som nær seg N=50 skallet. Her nærmer vi oss 78Ni. Det eksperimentelle arbeidet utføres ved RIBF-RIKEN radioaktive beam fasilitet i Japan. RIKEN er et verdensledende laboratorium som produserer svært intense stråler av nøytronrike isotoper ved hjelp av fragmentering eller fisjon. Her flyttes grensene for hvor nøytonrike kjerner det er mulig å produsere. Forskjellige eksperimentelle teknikker brukes for å undersøke skallstrukturen langs Cu kjeden. De eksiterte tilstandene opp til 4 MeV i 75,77Cu kjernene har blitt populert for første gang i dette arbeidet via beta henfall fra 75,77Ni. Hovedresultatet av denne studien viste at Z=28 skallgapet reduseres mindre dramatisk enn tidligere antatt. Resultatene av studien publiserte vi som et letter i det nest mest prestisjefylte fysikktidsskriftet etter Nature (E. Sahin et al. Phys.Rev.Lett. 118, 242502 (2017)). Vårt andre eksperimentelle program går ut på å identifisere singlepartikkel egenskapene til eksiterte tilstander i Cu kjerner via direkte reaksjonsmekanismer og utføres innen SEASTAR internasjonale kollaborasjon ved RIKEN. De kollektive egenskapene til 77Cu i sammenheng med 76Ni, som er eksperimentell utilgjengelig grunnet eksperimentelle begrensinger, vil bli studert i en tredje eksperimentell kampanje ved RIKEN innen SUNFLOWER kollaborasjonen. Reaksjonsmekanismen er å populere eksiterte tilstander i 77Cu ved hjelp av Coulombeksitasjon ved mellomenergi på 200MeV/nukleon. Analysen av disse datasettene er pågående og resultatene vil bli publisert i flere høyt rangerte vitenskapelige tidsskrift i løpet 2019.

The physics of exotic nuclei constitutes a diverse research field from understanding fundamental properties of a very complex, quantum mechanical system to how the universe was created and developed to where it is today. Any discovery about the nature of subatomic matter will enable a new understanding of our world. The contribution of EVOLUTION is to investigate important characteristics of the structure of nuclei lying far away from stability, in particular near the 78Ni mass region. EVOLUTION constitutes a unique example of obtaining experimental information on very exotic nuclei using gamma-ray spectroscopic techniques which were available only for the stable nuclei in the past. The obtained data using radioactive ion beams greatly revealed the shell evolution and the magicity of the proton Z=28 shell gap in the present research project. Experimental results were delivered to the nuclear theory and greatly contributed to a better description of the structure of very exotic nuclei.

The present research project is focused on investigating the shell evolution of neutron-rich nuclei near 78Ni. Information on the shell structure in this mass region is limited due to the fact that 78Ni is the most exotic doubly-magic nucleus nucleus with its largest neutron-to-proton ratio, ~1.79. In another word, these nuclei are shorter-lived and are located much further from the stability line thus more difficult to access experimentally. Fragmentation or fission of stable projectiles is presently the only approach to observe limits of existence in these nuclei. The production of these nuclei via fragmentation or fission is followed by their in-flight separation and detection in less than 1 micro seconds time range. There are several radioactive-beam facilities in the world applying this technique: GANIL (France), GSI (Germany), NSCL-MSU (USA), and RIBF-RIKEN (Japan). However, due to the long-term upgrading purposes, only the laboratories at NSCL-MSU, USA and RIBF-RIKEN, Japan are currently available. Therefore, I am planing to perform the experimental activity, described detailed in the ?Project Description?, in the international large-scale facilities EURICA/DALI2 and BigRIPS at RIKEN and GRETINA and A1900 at NSCL-MSU. Accurate theoretical calculations from different perspectives in order to define the physics results of the proposal will be an irrefutable gain of the collaboration during the project working plan period. In this context, I have established fruitful collaborations with leading theorists in the field of nuclear structure research, in particular with Morten Hjorth-Jensen, who has developed techniques that are highly relevant for the interpretation of experiments along the lines of those addressed in the present proposal. Finally, the presented research project will extend the state of the art and greatly contribute to the scientific excellence and competition.