Authors:	Kowalska, Magdalena
Title:	Ground state properties of neutron-rich Mg isotopes
Online publication date:	10-Oct-2006
Year of first publication:	2006
Language:	english
Abstract:	Studies in regions of the nuclear chart in which the model predictions of properties of nuclei fail can bring a better understanding of the strong interaction in the nuclear medium. To such regions belongs the so called "island of inversion" centered around Ne, Na and Mg isotopes with 20 neutrons in which unexpected ground-state spins, large deformations and dense low-energy spectra appear. This is a strong argument that the magic N = 20 is not a closed shell in this area. In this thesis investigations of isotope shifts of stable 24,25,26Mg, as well as spins and magnetic moments of short-lived 29,31Mg are presented. The successful studies were performed at the ISOLDE facility at CERN using collinear laser and beta-NMR spectroscopy techniques. The isotopes were investigated as single-charged ions in the 280-nm transition from the atomic ground state 2S1/2 to one of the two lowest excited states 2P1/2,3/2 using continuous wave laser beams. The isotope-shift measurements with fluorescence detection for the three stable isotopes show that it is feasible to perform the same studies on radioactive Mg isotopes up to the "island of inversion". This will allow to determine differences in the mean charge square radii and interpret them in terms of deformation. The high detection efficiency for beta particles and optical pumping close to saturation allowed to obtain very good beta-asymmetry signals for 29Mg and 31Mg with half-lives around 1 s and production yields about 10^5 ions/s. For this purpose the ions were implanted into a host crystal lattice. Such detection of the atomic resonances revealed their hyperfine structure, which gives the sign and a first estimate of the value of the magnetic moment. The nuclear magnetic resonance gave also their g-factors with the relative uncertainty smaller than 0.2 %. By combining the two techniques also the nuclear spin of both isotopes could be unambiguously determined. The measured spins and g-factors show that 29Mg with 17 neutrons lies outside the "island of inversion". On the other hand, 31Mg with 19 neutrons has an unexpected ground-state spin which can be explained only by promoting at least two neutrons across the N = 20 shell gap. This places the above nucleus inside the "island". However, modern shell-model approaches cannot predict this level as the ground state but only as one of the low-lying states, even though they reproduce very well the experimental g-factor. This indicates that modifications to the available interactions are required. Future measurements include isotope shift measurements on radioactive Mg isotopes and beta-NMR studies on 33Mg. Untersuchungen in Regionen der Nuklidkarte, in denen die Eigenschaften der Kerne von Modellen nicht richtig vorhergesagt werden, können zu einem besseren Verständnis der starken Wechselwirkung in Kernmaterie führen. Eine solche Region ist die sogenannte "Inversionsinsel" im Bereich der Ne-, Na- and Mg-Isotope mit 20 Neutronen, bei denen unerwartete Spins und starke Deformation im Grundzustand, sowie eine hohe Niveaudichte bei kleiner Anregungsenergie auftreten. Dies ist ein starker Hinweis, dass die magische Neutronenzahl N = 20 in diesem Bereich keine abgeschlossene Schale ist. In der vorliegenden Dissertation werden Messungen der Isotopieverschiebung an den stabilen Isotopen 24,25,26Mg, und der Spins und magnetischen Momente der kurzlebigen Isotope 29,31Mg vorgestellt. Diese Untersuchungen wurden an der ISOLDE-Anlage bei CERN mit der kollinearen Laser- und Beta-NMR-Spektroskopie durchgeführt. Die Isotope wurden als einfach geladene Ionen in dem Übergang aus dem Grundzustand 2S1/2 in einen der zwei niedrigsten angeregten Zustände 2P1/2,3/2 bei 280 nm mit Hilfe von kontinuierlichen Laserstrahlen untersucht. Die Messungen der Isotopieverschiebung mit Fluoreszenznachweis an den drei stabilen Isotopen zeigen, dass es möglich ist, diese Untersuchungen auch auf radioaktive Mg-Isotope bis zur "Inversionsinsel" auszudehnen. Daraus kann man den Verlauf der mittleren quadratischen Kernladungsradien ermitteln und ihn bezüglich der Deformation zu interpretieren. Die hohe Effizienz des Nachweises von Beta-Teilchen und optisches Pumpen nahe der Sättigung ergaben sehr gute Beta-Asymmetriesignale für 29Mg und 31Mg mit 1 s Halbwertszeit und Produktionsraten von 10^5 Ionen/s. Dafür wurden die Ionen in ein Kristallgitter implantiert. Mit diesem Nachweis atomarer Resonanzen erhält man die Hyperfeinstruktur und daraus das Vorzeichen und eine erste Abschätzung für das magnetische Moment. Die magnetische Kernresonanz ergab dann den g-Faktor mit der relativen Genauigkeit von weniger als 0.2%. Kombiniert man diese Methoden, so lassen sich auch die Kernspins der beiden Isotope eindeutig bestimmen. Die gemessenen Spins und g-Faktoren zeigen, dass 29Mg mit 17 Neutronen außerhalb der "Inversionsinsel" liegt. Andererseits hat 31Mg mit 19 Neutronen einen völlig unerwarteten Spin, der nur mit der Besetzung der Schale oberhalb N = 20 durch zwei Neutronen erklärt werden kann. Damit ist klar, dass dieses Isotop innerhalb der "Insel" liegt. Allerdings können moderne Schalenmodellrechnungen einen Zustand mit diesen Eigenschaften nicht als Grundzustand, sondern nur als niedrigliegenden angeregten Zustand vorhersagen, obwohl sie den experimentellen g-Faktor sehr gut reproduzieren. Das zeigt, dass Modifikationen der verfügbaren Wechselwirkungen erforderlich sind. Zukünftige Experimente werden die Isotopieverschiebung der radioaktiven Mg-Isotope und Beta-NMR-Messungen an 33Mg umfassen.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4152
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-11539
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen