ELI-RO-01 - Abordarea primelor experimente la GBS al ELI-NP/ADAGIO

1. Nume proiect: Abordarea primelor experimente la GBS al ELI-NP/ADAGIO
2. Perioada contractului: 36 luni (intre 2016-2019)
3. Obiectivele:
Scopul acestui proiect este de a ajuta implementarea programului de experimente la ELI-NP prin construirea unei echipe care va avea expertiza necesara de a efectua experimente la viitoarea facilitate.
Obiectivele specifice ale acestui proiect sunt:

  1. Testarea detectorilor de neutroni de tip NE213 si cu sticla dopata cu 6Li care vor fi folositi in cadrul experimentelor ce isi propun masurarea proprietatilor nucleelor in zona de emisie a neutronului. Acesti detectori sunt prevazuti a fi folositi in cadrul ELI-NP pentru monitorizarea fasciculului gama si pentru masurarea spectrelor de neutroni la diferite energii incidente. Pentru a putea efectua cu succes orice experiment la ELI-NP, este necesar ca mai intai sa fie cunoscut raspunsul detaliat al acestor detectori. De aceea, ne propunem sa efectuam o caracterizare completa pentru acesti detectori prin efectuarea de simulari detaliate folosind instrumente dedicate, precum si testarea detectorilor intr-un experiment cu fascicul pentru a confirma rezultatele simularilor.

  2. Testarea in fascicul a detectorilor de tip LaBr3:Ce pentru a masura pentru prima data amestecul de izospin in 60Zn prin masurarea dezintegrarilor gama ale GDR. Calculele teoretice pentru amestecul de izospin sunt bazate in principal pe calcule microscopice si depind puternic de abordarea teoretica aleasa pentru a parametriza interactia nucleara. De aceea, este necesar ca aceste predictii sa fie constranse de masuratori experimentale, iar unul din cei mai buni candidati pentru studiul amestecului de izospin este nucleul 60Zn. Masurarea dezexcitarii rezonantei GDR implica detectarea unor radiatii gama de energie inalta, iar folosirea detectorilor mari de LaBr3:Ce reprezinta cea mai buna alegere.

  3. Aceasta etapa presupune determinarea amestecului de izospin intre stari discrete in nuclee oglinda folosind o metoda independenta de orice model teoretic. Acest obiectiv implica efectuarea unui experiment la High Intensity γ-ray Source (HIGS) pentru a masura dezintegrarea catorva stari 5/2+ in nucleul 35Cl pentru a putea extrage amestecul de izospin din taria relativa a tranzitiilor E1. Acest tip de experiment este prevazut a fi efectuat si la ELI-NP, unde se vor studia o gama intreaga de aplicatii ale metodei NRF.


  4. Studiul raspunsului dipolar al nucleului 142Nd folosind imprastierea inelastica a particulelor alpha pentru a caracteriza natura Pygmy Dipole Resonance (PDR). Aceste investigatii complementare au potentialul de a dezvalui noi informatii despre PDR, asa cum a fost aratat in mai multe cazuri. De aceea, ne propunem o investigare experimentala folosind imprastierea particulelor alpha in laboratorul iThemba din Africa de Sud. Va fi folosita detectia in coincidenta a radiatiilor gama cu particulele imprastiate inelastic utilizand detectori de radiatie gama si un spectrometru magnetic plasat la 0 grade.

4. Etapele si activitatile prevazute:
  1. Studiu privind ruperea de simetrie de isospin in 60Zn folosind rezonantele gigantice GDR
    2. I.1. Caracterizarea detaliata a detectorilor 3''x3'' LaBr3:Ce
    I.2. Studiu experimental al amestecului de isospin indus de dezexcitarea gama a GDR
  2. Caracterizarea si testarea in fascicul a detectorilor de neutroni ce vor fi folositi la viitoarele experimente ELI-NP
    3. II.1. Simulari ale producerii de netroni mono-energetici folosind reactia 7Li(p,n)7Be si simulari ale detectorilor de neutroni din sticla dopata cu 6Li si din NE213.
    II.2 Teste experimentale ale detectorilor de neutroni folosind reactia 7Li(p,n)7Be la acceleratorul TANDEM al IFIN-HH.
  3. Determinarea independenta de model a amestecului izospinului pentru stari discrete ale nucleelor oglinda in reactii fotonucleare
    4. III.1 Studiul tariei B(E1) in perechea de nuclee oglinda 35Ar-35Cl. Studiu teoretic al corelatiei dintre amestecul de izospin pentru starile initiala si finala
    III.2 Realizarea experimentului de imprastiere inelastica a radiatiilor gama la HIGS
    III.3 Determinarea efectiva a amestecului de izospin in starea initiala si finala
  4. Studiul raspunsului dipolar electric in nucleul 142Nd folosind imprastierea inelastica a particulelor alpha
    5. IV.1 Realizarea experimentului pentru studiul componentei E1 in nucleul 142Nd.
    IV.2 Analiza preliminara a datelor experimentale obtinute
5. Rezultatele obtinute:
2016-2017:
In continuare este prezentata munca efectuata de grupul implicat in acest proiect in perioada septembrie 2016 - septembrie 2017. In aceasta perioada au fost efectuate doua activitati: i) caracterizarea detaliata a detectorilor 3''x3'' de LaBr3:Ce, precum si determinarea amestecului de izospin din masurarea dezintegrarilor rezonantei GDR; ii) caracterizarea si testarea in fascicul a detectorilor de neutroni NE213 si sticla dopata cu 6Li.

Prima parte a fost dedicata caracterizarii detectorilor 3''x3'' de LaBr3:Ce, detectori ce vor juca un rol important in array-ul de detectori folositi de echipa ELIGANT in cadrul facilitatii ELI-NP. Primul pas pe care l-am efectuat a constat in caracterizarea detaliata a proprietatilor pe care le au noii detectori de LaBr3:Ce in ceea ce priveste rezolutia energetica si de timp, eficienta si liniaritatea pentru diferite zone de energie. Proprietatile excelente care au fost gasite pentru acesti scintilatori sunt ideale pentru cazurile de fizica propuse in Technical Design Report (TDR) de echipa ELIGANT. In partea a doua, am efectuat un experiment in colaborare cu grupul de structura nucleara al Universitatii din Milano pentru a investiga ruperea simetriei de izospin in nucleul 60Zn prin masurarea dezintegrarii gama a GDR. Acest gen de experiment necesita masurarea unor dezintegrari gama de energie foarte mare. O metoda foarte eficienta pentru efectuarea cu succes a unui asemenea experiment este folosirea detectorilor de LaBr3:Ce in combinatie cu detectori de rezolutie forate buna (HPGe). De aceea, cativa detectori apartinand ELI-NP au fost folositi cu succes in experiment iar proprietatile lor rezultate in perioada de teste au fost pe deplin confirmate.

Partea a doua prezinta o investigare detaliata a detectorilor de neutroni care vor fi folositi in cadrul ELI-NP de catre echipa ELIGANT. Propunerile stiintifice ale acestui grup sunt concentrate in vecinatatea pragului de emisie a neutronului si de aceea, o componenta importanta va fi legata de detectia neutronilor emisi. In cadrul ELI-NP, acest lucru este prevazut a se face cu detectori de tip NE213 pentru neutroni cu energia peste 1 MeV, in timp ce pentru energii sub 1 MeV au fost alesi detectori de neutroni cu sticla dopata cu 6Li. Acesti detectori au fost achizitionati deja in cadrul ELI-NP iar cea mai buna metoda de a-i testa este aceea de a efectua un experiment la acceleratorul Tandem de 9 MV al IFIN-HH. Aceasta activitate a fost efectuata cu succes prin folosirea reactiei 7Li(p,n)7Be, precum si a sistemului rapid de pulsare al acceleratorului, folosind diverse energii incidente ale protonilor. Acest experiment a fost urmat de efectuarea simularilor Monte Carlo pentru a confirma rezultatele obtinute. Aceasta activitate este in curs de efectuare deoarece am observat ca pachetul GEANT4 folosit in mod traditional pentru simulari are dificultati in reproducerea spectrului de neutroni emisi in reactii cu particule incarcate. Acest efect a trebuit sa fie corectat mai intai iar mai apoi au fost obtinute rezultate corecte pentru timpul de zbor al neutronilor.

2018:
Pentru anul acesta, raportam o investigare experimentala efectuata la facilitatea High Intensity Gamma-ray Source (HIGS) a Universitatii Duke, folosind imprastierea inelastica a radiatiilor gama pentru a studia amestecul de izospin in nucleele oglinda 35Cl-35Ar. Acesta este unul din cele mai clare exemple in care a fost observata o asimetrie puternica in celel doua nuclee pentru dezintegrarea primei stari 7/2-, care se crede ca apare datorita unui amestec intre starile discrete cu T=1/2 si cele avand T=3/2. Presupunand ca acest scenariu este corect, s-a aratat ca amestecul de izospin poate fi determinat intru-un mod independent de orice model teoretic daca exista suficienta informatie experimentala legata de probabilitatile de tranzitie E1 ale starilor importante. In acest moment, cel mai bun candidat este perechea de nuclee oglinda 35Cl-35Ar, unde lipsesc numai cateva probabilitati B(E1). De aceea, principalul scop al acestei investigatii este acela de a determina dezintegrarea completa a starilor 5/2+ avand T=3/2 din 35Cl pentru a putea determina pentru prima data raportul dintre amestecul de izospin din starile initiala si finala folosind numai date experimentale.

In cadrul acestui experiment, starile de interes au fost populate utilizand un fascicul de radiatii gama aproape monocromatic si polarizat liniar, livrat de facilitatea HIGS. Energia incidenta a radiatiilor gama a fost aleasa de 8.2 MeV, deoarece am cautat excitarea rezonanta a unui nivel aflat la 8209 keV care are spinul 5/2+ si T=3/2. Radiatiile gama emise au fost detectate folosind spectrometrul γ3 care contine patru detectori HPGe si patru detectori de LaBr3:Ce avand dimensiunile 3''x3''. Detectorii HPGe au fost dispusi la unghiurile Θ=90 si 135, avand Φ=45, 90, 180 si 315 in timp de detectorii de LaBr3:Ce au fost plasati la unghiurile Θ=90 si 135, cu Φ=0, 135, 225, 270. Datele au fost achizitionate in paralel de doua sisteme indepandente, unul care lucreaza in modul Multi-Channel Analyzer (MCA), iar celalalt inregistreaza datele eveniment cu eveniment in format lista. Ca tinta am folosit 6.3 g de LiCl natural, aceasta combinatie a clorului fiind aleasa in aceasta forma chimica datorita dorintei de a tine la minimum starile populate in litiu de radiatiile gama incidente de 8.2 MeV.

Rezultatul principal al acestui studiu este legat de raportul de ramificare 5/2+, T=3/2 -> 7/2-, T=1/2 a starii de la 8209 keV. Dezintegrarea acestei stari direct catre starea fundamentala este vizibila in mod clar in spectrele colectate, dar raportul de ramificare catre starea 7/2- nu este vizibil, fiind situat intr-o zona cu un pronuntat fond Compton. Cu toate acestea, se poate extrage o limita superioara din analiza acestui fond, obtinand astfel o valoare de 2% relativ la dezintegrarea catre starea fundamentala. Aceasta valoare corespunde unei limite superioare a probabilitatii de tranzitie B(E1; 5/2+, T=3/2 -> 7/2-,T=1/2)<1.2x10^-4 W.u. Intr-o incercare anterioara de extragere a valorii de amestec de izospin in starile initiala si finala in 35Cl-35Ar, s-a estimat ca ar trebui luate in considerare mai multe stari cu spinul 5/2+ si cu energii cuprinse intre 8.2 si 9.1 MeV pentru a calcula probabilitatea de tranzitie T=3/2 catre T=1/2, iar intensitatea acestora insumata este de peste 10^-3 W.u. Cu toate acestea, autorii studiului nu au luat in considerare nivelul cu energia de 8209 keV deoarece dezintegrarea acestuia catre starea 7/2- nu era cunoscuta in acel moment. In cadrul acestui studiu am aratat ca de fapt nivelul cu energia de 8209 keV este singurul care trebuie luat in considerare pentru stabilirea intensitatii corespunzatoare tranzitiei T=3/2 catre T=1/2, si am determinat aceasta valoare ca fiind cu cel putin un ordin de marime mai mica decat fusese presupus anterior. Acest lucru are consecinte importante in calculul raportului privind amestecul de izospin in starile initiala si finala.

2019:
Pentru acest an prezentam un raport ce contine rezultatele legate de determinarea raspunsului isoscalar in nucleul 142Nd folosind imprastierea particulelor alpha si dispozitivele experimentale ale laboratorului iThemba din Africa de Sud. Investigarea raspunsului dipolar in nucleele atomice reprezinta un subiect major in studiile actuale de structura nucleara, investigatii care au aratat importanta efectuarii unor asemenea experimente folosind probe complementare. Acest nucleu a fost si el studiat in trecut folosind imprastierea inelastica a radiatilor gama. Cu toate acestea, in nenumarate cazuri a fost evidentiat faptul ca putem obtine o informatie deosebit de utila din studii complementare folosind probe diferite, precum protonii sau particulele alpha. De aceea, nucleul 142Nd a fost selectat pentru a fi investigat in regiunea PDR.

Astfel, am efectuat un experiment in cadrul laboratorului iThemba din Africa de Sud folosind imprastierea inelastica a particulelor alpha si detectand in coincidenta radiatiile gama si particulele imprastiate, folosind array-ul de detectori gamma BaGeL si spectrometrul K600 plasat la 0◦. Radiatiile gama au fost detectate folosind 12 detectori de tip HPGe clover si 5 scintilatori de volum mare de tipul LaBr3:Ce. Spectrometrul K600 este constituit dintr-un magnet cuadrupolar, doi dipoli si doua bobine magnetice. In spatele celui de-al doilea dipol este plasat un detector sensibil la pozitie. Acesta consta dintr-o camera cu drift vertical (VDC) si un scintilator plastic. Ultimul detector mentionat este folosit ca semnal de trigger, dar si pentru a ajuta la identificarea particulelor folosind metoda ∆E - ∆E. Datele experimentale au fost inregistrate folosind doua sisteme de achizitie in parallel: Mesytec si digitizoare XIA, ambele stocand datele intr-un format de tipul eveniment-cu-eveniment.

Cea mai mare parte a analizei preliminare pe care am efectuat-o este concentrata pe diferitele corectii ce trebuie efectuate pentru a obtine rezultate corecte. Aceste corectii includ ajustarea offset-ului pentru lungimea cablurilor in cazul camerei cu drift vertical, alinieri pentru timpul de zbor si pentru scintilator, precum si corectii de lineshape pentru spectrele ce implica parametrii de plan focal. Dupa ce aceste corectii au fost implementate, am calibrat spectrometrul magnetic folosind nucleul 24Mg, care are energiile de excitatie bine cunoscute in domeniul energetic necesar acestui experiment.

Coeficientii de calibrare extrasi din aceasta procedura au fost in continuare adaptati pentru experiment folosind calcule de cinematica. Spectrul final pe care l-am obtinut este unul preliminar utilizand detectorii de LaBr3:Ce in coincidenta cu particulele alpha, pentru cazul nucleului 142Nd. Pentru a obtine acest spectru, am folosit corectiile descrise mai sus, precum si calibrarea spectrometrului cu 24Mg. Analiza preliminara este obtinuta cu aproximativ 1/10 din statistica totala colectata in timpul experimentului. Cu toate acestea, este vizibil in mod clar o concentratie a tariei E1 in regiunea cuprinsa intre 4 si 7 MeV. Urmatorii pasi ai analizei vor confirma natura acetor tranzitii observate si vor furniza valorile finale pentru sectiunea eficace. Aceste obervabile vor fi mai apoi comparate cu rezultatele obtinute in experimentele de tipul (γ,γ’).



6. Persoana de contact: Dr. Sorin Gabriel Pascu (spascu @ tandem.nipne.ro)