Study of the nuclear spin-orientation in incomplete fusion reactions. Measurement of the magnetic moment of the 2⁺ states in ²²Ne and ²⁸Mg

par Amar Boukhari

Thèse de doctorat en Structure et réactions nucléaires

Sous la direction de Georgi Georgiev.

Le président du jury était Wolfram Korten.

Le jury était composé de Wolfram Korten, Theo J. Mertzimekis, Nadine Redon, François Didierjean, Joa Ljungvall.

Les rapporteurs étaient Theo J. Mertzimekis, Nadine Redon.

  • Titre traduit

    Étude de l’orientation du spin nucléaire dans les réactions de fusion incomplète. Mesure du moment magnétique des états 2⁺ dans les noyaux ²²Ne et ²⁸Mg


  • Résumé

    La mesure des moments magnétiques nucléaires est d'une grande importance pour bien comprendre la structure nucléaire. Le moment magnétique est sensible à la nature de la particule indépendante. Le développement des faisceaux radioactifs permet aujourd'hui d'étudier les spins nucléaires et les moments de noyaux exotiques éloignés de la ligne de stabilité. Cependant, la mesure des moments magnétiques des noyaux radioactifs nécessite le développement des nouvelles méthodes fiables. Le développement réussi de telles méthodes ouvrirait la possibilité de découvrir de nouveaux phénomènes de structure nucléaire. L'étude présentée dans cette thèse est formée de deux expériences. La première expérience a été réalisée à ALTO à Orsay, en France. L'une des principales exigences pour mesurer un moment magnétique nucléaire est de produire un ensemble avec des spins orientés. Ce dernier peut être produit par un mécanisme de réaction approprié et une interaction de spin nucléaire avec le milieu environnant. Le degré d'orientation dépend du processus de formation et du mécanisme de réaction. Le but de cette première expérience était d’étudier le niveau d’orientation du spin nucléaire dans un mécanisme de réaction de fusion incomplète. Le résultat de l'expérience démontre la possibilité d'obtenir un alignement du spin dans une réaction de fusion incomplète d'un ordre de 20%. Ce mécanisme de réaction, avec une telle quantité d’alignement de spin, a le potentiel d’étudier la région riche en neutrons avec des faisceaux radioactifs. La deuxième expérience, et l'essentiel de la thèse, a été réalisée à HIE-ISOLDE au CERN. Cette expérience visait à obtenir des informations de haute précision sur le facteur g d’un état de courte durée. Une nouvelle méthode TDRIV (Time-Differential Recoil In Vacuum) a été appliquée pour la première fois avec des faisceaux radioactifs post-accélérés. La mesure du facteur g était réalisée pour le premier état excité dans un noyau de ²⁸Mg (Eₓ = 1474 (1) keV, T₁/₂ = 1,2 (1) ps).


  • Résumé

    Knowledge of the nuclear magnetic moments is of great importance to get a clear understanding of nuclear structure. The magnetic moment is sensitive to the single-particle nature of the valence nucleons. The development of radioactive beam facilities allows nowadays studying nuclear spins and moments of exotic nuclei which are far from the stability line. However, the measurement of magnetic moments of exotic nuclei produced as radioactive beams requires the development of reliable methods. Successful development of such methods would open up the possibility to discover new nuclear structure phenomena. The study outlined in this thesis is formed by two experiments. The first experiment was performed at ALTO facility in Orsay, France. One of the main requirements in order to measure a nuclear magnetic moment is to produce a spin-oriented ensemble. The latter can be produced by suitable reaction mechanism and nuclear spin interaction with the surrounding environment. The degree of the orientation depends on the formation process and reaction mechanism. The aim of this first experiment was investigating the level of nuclear spin orientation in incomplete fusion reaction mechanism. Two reaction channels were studied, the isomeric states in ⁶⁵mNi (I = 9/2⁺, Eₓ = 1017 keV, T₁/₂ = 26 ns), and ⁶⁶mCu (I = 6⁻, Eₓ = 563 keV, T₁/₂= 600 ns) with Time-Dependent Perturbed Angular Distribution (TDPAD) method. The result of the experiment demonstrates the possibility of obtaining spin alignment in incomplete fusion reaction of an order of 20%. This reaction mechanism, with such an important amount of spin alignment has potential near radioactive beam facilities to study the neutron-rich region with inverse kinematics reactions. The second experiment, and the main part of the thesis was performed at HIE-ISOLDE at CERN. This experiment aimed to obtain high precision g-factor information on a short-lived picosecond state. A new Time Differential Recoil-In-Vacuum (TDRIV) method was applied for the first time using post-accelerated radioactive beams. The g-factor measurement was performed for the first-excited state in ²⁸Mg nucleus (Eₓ = 1474(1) keV, T₁/₂ = 1.2(1) ps). Since the lifetime of the state is of the order of picoseconds, its g-factor can be measured only via the spin precession of the nucleus in an extremely strong magnetic field (kT). Such fields can only be produced at the nucleus by hyperfine interactions. In order to obtain a high precision on a g-factor measurement, a TDRIV calibration experiment was performed with a stable ²²Ne beam. This run allowed testing the system under the same conditions as with radioactive²⁸Mg beam. In addition, using the known g-factor of the first-excited state in ²²Ne allows to determine the absolute target-to-degrader distance so that to decrease the uncertainty and obtain a high precision g-factor measurement. The obtained calibration parameters from the ²²Ne data will be used in the determination of g-factor of ²⁸Mg.


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