Badanie rozpadu stanów kolektywnych w reakcjach indukowanych protonami

Abstract

Badanie stanów kolektywnych jądra atomowego jest doskonałym narzędziem dostarczającym informacji dotyczących zachowania jądra jako całości. Gigantyczne rezonanse, czyli najsilniej wzbudzane stany kolektywne, badane są w reakcjach jądrowych za pomocą różnych próbników: kwantów γ, cząstek α, ciężkich jonów i protonów, wykorzystując reakcje nieelastycznego rozpraszania, bądź fuzji-ewaporacji. Tematem niniejszej pracy jest badanie rozpadu stanów kolektywnych w reakcjach indukowanych protonami. Zadanie to zostało wykonane w IFJ PAN w Krakowie w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB), w którym oprócz prowadzenia terapii protonowej nowotworów realizowany jest zróżnicowany program badawczy. Jednym z głównych jego tematów jest badanie wzbudzenia i rozpadu gigantycznych rezonansów jądrowych za pomocą eksperymentów, w których jadra tarczy wzbudzane są poprzez naświetlanie jej wiązką szybkich protonów pochodzącą z cyklotronu. Jednoczesny pomiar rozproszonych nieelastycznie protonów i kwantów γ emitowanych przez wzbudzone jadra pozwala odtworzyć przebieg reakcji i uzyskać informacje o zaistniałym procesie. Po serii eksperymentów testowych wykorzystujących reakcje 12C(p, p’γ), przeprowadzono pomiar rozpadu stanów kolektywnych w oparciu o reakcje 208Pb(p, p’γ). Wybór tego izotopu wynikał z faktu, ze jądro 208Pb jest jedynym dla którego zaobserwowano w reakcji 208Pb(17O; 17O’γ) rozpad γ izoskalarnego gigantycznego rezonansu kwadrupolowego (ISGQR). Celem eksperymentu przedstawianego w niniejszej pracy było wykazanie, że stosując wiązkę protonów dostępną w CCB można uzyskać informacje na temat rozpadu γ ISGQR. Przewidywano również zaobserwowanie wzbudzeń i rozpadów γ innych wysokoenergetycznych stanów kolektywnych, takich jak pigmejskie stany dipolowe i gigantyczny rezonans dipolowy. Zastosowany układ pomiarowy składał się z 16 teleskopów układu KRATTA, używanych do pomiaru lekkich cząstek naładowanych; 8 dużych scyntylatorów BaF2 tworzących układ HECTOR o dużej wydajności na detekcje wysokoenergetycznych Kwantów γ ; oraz klastra kalorymetru PARIS, posiadającego oprócz wysokiej wydajności, bardzo dobra energetyczną i czasową zdolność rozdzielczą. Podczas pomiaru dane były zbierane, gdy spełniony był warunek jednoczesnej detekcji kwantu γ i naładowanej cząstki lekkiej. Pozwoliło to na utworzenie macierzy energii kwantu γ względem energii wzbudzenia jadra 208Pb. Po zastosowaniu odpowiednich warunków uzyskano i następnie poddano analizie widma energii wzbudzenia oraz energii kwantów γ emitowanych z rozpadów stanów wzbudzonych do określonych stanów końcowych w jadrze 208Pb. Niniejsza praca przedstawia zastosowany układ pomiarowy, metodę analizy danych i uzyskane wyniki. Wprowadzone są w niej niezbędne pojęcia teorii fizyki jądrowej. Ze względu na specyficzną budowę układu PARIS, szczegółowo opisana jest metoda analizy zebranych za jego pomocą danych. Dokładnie opisany jest również sposób przygotowania danych do analizy, a sama metoda analizy jest zaprezentowana na przykładzie reakcji testowej 12C(p, p’γ). Najważniejszą częścią pracy jest przedstawienie wyników dotyczących wzbudzenia stanów kolektywnych i ich rozpadu poprzez emisje kwantów dla reakcji 208Pb(p; p’γ), oraz porównanie ich z przewidywaniami teoretycznymi. Praca zakończona jest podsumowaniem zawierającym informacje o planowanej kontynuacji badań.

The studies of the collective modes of excitation in the atomic nucleus have been giving an exclusive look into the bulk properties of these systems since the very beginning of the nuclear physics. The strongest collective modes, called Giant Resonances are measured with different probes, such as α particles, γ rays, heavy ions and protons. The reactions of choice are usually inelastic scattering of projectiles on the target nucleus or fusion-evaporation of both nuclei. The study of the collective modes in proton-induced reactions, presented in this thesis, was performed in a new proton facility – Cyclotron Centre Bronowice (CCB) – in Krakow, Poland. The Centre’s main purpose is proton therapy, however an ambitious scientific program is also carried out and a very important role is played by the study of the phenomenon of Giant Resonances in nuclei. It is accomplished by the irradiation of the target of choice by the proton beam and simultaneous measurement of the energy of the inelastic scattered protons and the rays emitted from the excited nuclei of the target. After a series of test experiments based on the 12C(p, p’γ) reaction, the very first experiment, which purpose was a measurement of the γ decay of Giant Resonances induced in 208Pb, was performed. This target was chosen, for it was only in 208Pb(17O; 17O’γ) reaction that the γ decay of Isoscalar Giant Quadrupole Resonance (ISGQR) has been observed. The main goal of the experiment presented in the following thesis was to prove, by measurement of the γ decay of ISGQR, the possibility to study this excitation mode in Krakow. New information on the state was also expected, due to use of a different reaction. Additionally, excitation and γ -decay of other high-energy collective states, such as Pygmy Dipole States and Giant Dipole Resonace, were anticipated. The experimental set-up consisted of 16 the KRATTA array’s triple telescopes used for detection of light charged particles, 8 big BaF2 scintillators of the HECTOR array for detection of high-energy γ rays with good efficiency and a cluster of currently build PARIS calorimeter used to resolve the origin of low-energy part of the γ -energy spectra. Although the PARIS array has also high efficiency for the detection of high-energy γ rays, the experiment did not fully benefit from this characteristic, as it was available only for the second part of it. The data were collected only if a particle and a γ ray were measured in coincidence. The results were presented in the form of γ energy vs. excitation energy of the target nucleus matrix. Excitation energy and γ ray energy spectra corresponding to the events of the γ -decay of the excited state to the 208Pb states of choice were created by setting specific conditions relating these two observables. Additionally, γ -decay spectra of individual excited states were also produced. The following thesis presents the experimental set-up, the analysis method and shows the obtained results. A stress is put on presenting a method of data analysis for PARIS cluster, which due to a non-standard configuration of two different optically connected scintillator materials with common PMT (so called phoswich) needed a dedicated approach to analysis. The data treatment is explained in a great detail and the method of the analysis of the results is shown based on the test 12C(p, p’γ) reaction. The obtained results for 208Pb(p; p’γ) reaction are shown, discussed and compared with theoretical predictions. Finally, an attempt to compare the results with the previously mentioned Pb(17O; 17O’γ) experiment is carried out. The thesis is summarised and the future perspectives are outlined.