Evolution of shapes and collectivity in exotic nuclei

Nye eksperimentelle teknikker og framskritt innen produksjon av radioaktive ionestråler har i stor grad bidratt til å utvide vår kunnskap om kortlivede, eksotiske atomkjerner og deres grunnleggende egenskaper. Eksperimenter har vist at skallstrukturen til protoner og nøytroner endrer seg og at magiske tall kan forsvinne i eksotiske kjerner, samtidig som nye kan dukke opp. Denne såkalte skallutviklingen er relatert til visse egenskaper ved den sterke kjernekraften, som endrer energinivåene til proton- og nøytronorbitaler når nøytron-til-proton-forholdet i kjernen øker. Selv om kunnskapen vår om skallutvikling i eksotiske kjerner er bygget på over tjue år med forskning, vet vi fortsatt lite om hvordan skallutviklingen påvirker forskjellige aspekter ved kjernens struktur, slik som kollektivitet, formforandringer og sameksistens av ulike former. For kjerner med lukket proton- eller nøytronskall kan partikkel-hull eksitasjoner over skallgapet endre kjernens sfæriske form ved å strekke den ut i hver ende (som en amerikansk fotball) eller ved å trykke den sammen (som et gresskar). I eksotiske kjerner vil partikkel-hull eksitasjoner bli mer sannsynlige fordi de store skallgapene blir sterkt reduserte som et resultat av skallutviklingen. Det forventes en framvekst av deformasjon og formsameksistens i masseområdet rundt 78Ni på grunn av en reduksjon av skallgapet ved protontall 28, men for øyeblikket finnes det nesten ingen opplysninger om disse fenomenene i denne masseregionen. Dette forskningsprosjektet vil framskaffe verdifull eksperimentell informasjon gjennom gammaspektroskopi ved å måle levetider for eksiterte tilstander fra noen mikrosekunder ned til få pikosekunder. Eksperimentene bruker avanserte strålingsdetektorer og målemetoder basert på Doppler-effekten på strålingen som sendes ut av raske ioner. Eksperimentene vil bli gjennomført i internasjonale kollaborasjoner ved store akseleratorlaboratorier som RIKEN i Japan og LNL i Italia.

The present project will look for consequences of the shell evolution on the properties of neutron-rich nuclei, with a focus on the development of deformation and shape coexistence. EVOLUTION will focus on the 78Ni mass region where the experimental information on nuclear shapes and deformation is almost non-existing at present. The project will provide valuable experimental information through gamma-ray spectroscopy by measuring lifetimes of excited states ranging from few picoseconds to several microseconds via recoil distance Doppler shift and fast timing methods, respectively. Multi-nucleon transfer reactions and beta-decay processes will be exploited in combination with high resolution fragment separators coupled to an array of high efficienct gamma-ray detectors. The described experimental study will combine measurements of both very short and long lifetimes of the most exotic nuclei one can reach today. One of the major challenges for nuclear theory is to predict the properties of all nuclei within a single framework. With newly obtained spectroscopic data in the exotic region of 78Ni, EVOLUTION will provide a good testing ground for the predictive power of nuclear theory. Furthermore, knowledge of the shell structure in this mass region will help to improve mass models, which is important since the pathway of the astrophysical rapid neutron capture process, essential to understanding the origin of the elements in the Universe, passes through the 78Ni region. Two experiments will be performed in two large-scale international beam factories: The radioactive ion beam laboratory RIKEN (Japan) and LNL-Legnaro National Laboratories (Italy). They will target to cover the physics of exotic nuclei from lighter to heavier exotic nuclei in the 78Ni region.