Search for the p_1tn1_1tn/_1tn2_1th- resonance in _1hn7He with the _1hn7Li(d,_1hn2He) reaction and measurement of the deuteron electrodisintegration under 180 ̊at the S-DALINAC [Elektronische Ressource] / angefertigt von Natalya Ryezayeva

Searchforthep1/2−Resonancein7He
withthe7Li(d,2He)Reaction
andtMeasuremenoftheDeuteronElectrodisintegration
under180◦attheS-DALINAC

of

VomFachbereichPhysik
derTechnischenUniversit¨atDarmstadt

GradesdesErlangungzurhaftenNaturwissenscderDoktorseinesrer.(Dr.nat.)

genehmigte

Dissertation

onvangefertigt

NatalyaRyezayeva
ausPolyarny(Russland)

2006Juli

Darmstadt17D

t:Referen

t:Korreferen

agT

agT

der

der

ung:hEinreic

ufung:¨Pr

Professor

Professor

Dr.

Dr.

18.07.2006

06.11.2006

rer.

rer.

nat.

nat.

Dr.

J.

h.c.

ult.m

hbacamW

A.

terhRic

Zusammenfassung

DievorliegendeArbeitenth¨altzweiTeile.Beidebesch¨aftigensichmitderUnter-
suchungvonleichtenKernen.
ImerstenTeilwirddieStrukturdesexotischenKerns7Hestudiert.J¨ungsteEx-
perimentegebenwidersprechendeAussagen¨uberdiem¨oglicheExistenzdesp1/2-
Spin-Bahnpartnersdes7HeGrundzustandsmiteinemdominantenp3/2−Einteilchen-
Charakter.ZurKl¨arungdieserFragewurdedieReaktion7Li(d,2He)7Hebeiei-
nerEinschussenergievon171MeVamKernfysischVersnellerInsituut(KVI)in
Groningenuntersucht.DasExperimentfandimApril2003statt.Mitdemexpe-
rimentellenAufbauamKVIwurdeeineEnergieaufl¨osungvonΔE≈150keVin
dengemessenenSpektrenerreicht,diegeringeristalsdienat¨urlicheLinienbreite
des7He-Grundzustands.Dasungebundene2He-Systemwurdeidentifiziertdurch
dieKoinzidenzmessungenderbeidenProtonenmitkleinerrelativerEnergie.Die
Messungenerstreckensich¨ubereinenWinkelbereichvonΘcm=0◦-11.3◦.F¨urdie
EntfaltungdesSpektrumswurdenbekannteResonanzen,dasAufbruchverhalten
von7HeundquasifreieLadungsaustauschbeitr¨ageverwendet,unterBer¨ucksichti-
gungderCluster-Strukturvon7Li.DabeiweisendieexperimentellenErgebnisse
aufeinem¨oglicheniedrigligendeResonanzbeiEx=(1.45−+00..57)MeVmiteiner
BreiteΓ=(2.0−+11..10)MeVhin.DieGamow-TellerSt¨arkef¨urdie¨Uberg¨angezu
denniedrigstenZust¨andenin7HestimmenmittheoretischenVorhersageneines
abinitioQuantumMonte-CarloModells¨uberein.Weiterhinwurdederspektro-
skopischeFaktorSn=0.64±0.09des7HeGrundzustands(7He=6He⊗n)mit
extrahiert.Analyse-matrixReinerIndemzweitenTeilderArbeitwirdderDeuteronaufbruchinder2H(e,e)Re-
aktionuntereinemStreuwinkelΘ=180◦untersucht.DieMessungenwurden
amsupraleitendemDarmst¨adterElektronenlinearbeschleunigerS-DALINACbei
EinschussenergienE0von27.8MeVund74MeVimM¨arzundApril2006durch-
gef¨uhrt.BeiniedrigenImpuls¨ubertr¨agen(q=0.28fm−1bzw.0.73fm−1)do-
minierenmagnetische¨Uberg¨angedenAufbruchwirkungsquerschnitt.Daherkann
manausdengemessenenWirkungsquerschnittenanderAufbruchschwelledie
Wirkungsquerschnittef¨urdenEinfangprozessnp−→dγextrahierenunterVer-
wendungdesPrinzipsdesdetailliertenGleichgewichtes.DiegenaueInformation
¨uberdiesenProzessistvongroßemInteressef¨urdieBig-BangNukleosynthese

(BBN).

Die

experimentellen

Daten

sind

in

schenVorhersagenunterVerwendungeines

und

terun

hlussEinsc

onv

guter

¨ungereinstimmUb

mit

theoreti-

Nukleon-Nukleon(Bonn-B)tialsotenP

h-StrMesonaustausc

ome¨

und

onfigurationen.Isobark

Summary

Thepresentworkcontainstwoparts,bothdevotedtotheinvestigationoflight
uclei.n

Inthefirstpartofthethesisthestructureoftheexotic7Henucleusisstu-
died.Thedisappearanceoftheusualmagicnumbersinextremelyneutron-rich
nucleiimpliesaconsiderablemodificationinthespin-orbitinteraction.Recent
experimentsyieldcontradictoryresultsaboutapossibleexistenceofthep1/2−
spin-orbitpartnerofthe7Hegroundstatewithadominantp3/2−single-particle
character.Inordertoclarifythisquestionastudyofthe7Li(d,2He)7Hereaction
hasbeenperformedusinga171MeVdeuteronbeamprovidedbythecyclotron
atKernfysischVersnellerInsituut(KVI)inGroningen.Theexperimentwascar-
riedoutinApril2003.ThesetupatKVIoffersaresolutionΔE≈150keV
(FWHM)inthemeasuredspectra,betterthanthelinewidthoftheground
stateof7He.Theunbound2Hesystemwasidentifiedbydetectingcoincidences
betweentwoprotonswithsmallrelativeenergy.Thedataweretakenoverthe
angularrangeΘcm=0◦-11.3◦.Apossibleresonanceatanexcitationenergy
Ex=(1.45−+00..57)MeVwithawidthΓ=(2.0−+11..10)MeVissuggestedbyadecompo-
sitionofthespectrumusingknownresonances,thebreakupbehaviourof7Heand
quasifreecharge-exchangecontributions,takingintoaccounttheclusterstructure
of7Li.Gamow-Tellerstrengthsfortransitionstotheloweststatesin7Hearein
remarkableagreementwithresultsfromabinitioQuantumMonteCarlocalcula-
tions.TheneutronspectroscopicfactorSn=0.64±0.09ofthe7Hegroundstate
(7He=6He⊗n)isextractedbyanR-matrixanalysis.
Inthesecondpartofthethesisthedeuteronbreakuphasbeenstudiedinthe
2H(e,e)reactionatΘ=180◦.Thepresentmeasurementswereperformedin
MarchandApril2006atthesuperconductingDarmstadtelectronlinearaccele-
ratorS-DALINACatanincidentelectronenergyE0=27.8MeVand74MeV.
Atlowmomentumtransfer(q=0.28fm−1and0.73fm−1,respectively)magne-
tictransitionsareexpectedtogivethedominantcontributionstothebreakup
crosssections.Thus,themeasureddeuteron-electrodisintegrationcrosssectionat
thresholdcanbeusedtoobtainthecrosssectionforthenp−→dγreactionapply-
ingtheprincipleofdetailedbalance.Theaccurateinformationaboutthisprocess
isofgreatinterestinnuclearastrophysics,specificallywithregardtoBig-Bang

ucleosynnthesis.

The

talerimenexp

data

are

calcalculationsbasedonanucleon-nucleon

inclusion

of

meson-exchange

and

isobar

in

texcellen

tialotenp

effects.

agreement

mo

del

with

(Bonn-B),

theoreti-

under

the

tstenCon

Searchforthep1/2−Resonancein7He
withthe7Li(d,2He)Reaction

ductiontroIn1

kgroundbacTheoretical22.1Scatteringformalism.........................
2.2DistortedwaveBornapproximationandopticalpotential.....
2.3Effectiveinteraction..........................
2.4Shellmodelandone-bodytransitiondensities...........
2.5CrosssectionsandGamow-Tellerstrength.............
2.6AbinitioQuantumMonteCarlomethod..............
2.7R-matrixtheory............................

setuptalerimenExp33.1AGORcyclotronatKVI.......................
3.2Big-bitespectrometer.........................
3.2.1Raytracing..........................
3.2.2Recoilcorrections.......................
3.3EUROSUPERNOVAdetectionsystem...............
3.3.1Focal-planedetectionsystem.................
3.3.2Focal-planepolarimeter...................
3.3.3Scintillators..........................
3.4Electronics...............................
3.4.1Triggerlogic..........................
i

1

1

5571012151719

2323232527272829292930

4

5

6

7

8

3.4.2DSP-basedonlinedataprocessingsystem..........
3.5Dataacquisitionandonlineanalysis.................
23.6Heeventreconstruction.......................
3.7Experiment..............................

analysisData4.1Reconstructionofthescatteringvariables..............
4.2Acceptancecorrection........................
4.3Instrumentalbackgroundsubtraction................
4.4Angularbinsandexperimentalcrosssections............
4.5Quasifreecontinuumbackground..................
4.6Fitofthespectra...........................
4.6.1Decompositionofthespectrum...............
−π4.6.2Possiblelow-lyingJ=1/2spin-orbitpartneroftheground
state..............................

ExtractionofGamow-Tellerstrength
5.1CrosssectionandB(GT).......................
5.2DWBAcalculationsoftheangulardistributions..........
5.3ComparisonwithQMCcalculations.................

Spectroscopicfactorofthegroundstate
6.1Deconvolution.............................
6.2R-matrixanalysis...........................

Continuumstructureathigherenergies

outloandSummaryok

ii

31333434

363637414345505053

56565759

626265

67

70

MeasurementoftheDeuteronElectrodisintegration
under180◦attheS-DALINAC

9ductiontroIn

10Experimentalprocedure

10.1S-DALINAC..............................
◦10.2QCLAMspectrometerand180facility...............

10.3Experiment..............................

discussionandResults11

11.1Analysisofthespectrum.......................

11.2Determinationofthecrosssections.................

11.3Decompositionofthespectrum...................

11.4Discussion...............................

11.5Extractionoftheastrophysicalnp−→dγcrosssection......

okoutloandSummary12

ADouble-differentialcrosssectionsforthe7Li(d,2He)reaction

iii

72

72

77

7777

80

82

82

87

90

91

94

96

97

iv

I:TARPSearchforthep1/2−Resonancein7He
withthe7Li(d,2He)Reaction

ductiontroIn1

Inrecentyearsthestudyofthestructureandthereactionmechanismsinvolving
lightexoticnucleihasleadtothedevelopmentofnewtheoreticalmodelsbasedon
abinitiomethods[1,2]andalsoonrefinedoperatormethodslikeunitarycorrela-
tionoperatormethodUCOM[3].Duetonovelexperimentaltechniquesandthe
rapidprogressintheproductionofradioactivebeamsvariousunexpectedpheno-
menahavebeenobservedatthedriplineswhichcannotbeexplainedwithinthe
traditionalmodelsusedforstablenuclei.Asanexample,nuclearhalostateshave<