Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4479
Authors: Tiedemann, Dirk
Title: Nuclear charge radius determination of 7,10 Be and the one-neutron halo nucleus 11 Be
Online publication date: 9-Jun-2009
Year of first publication: 2009
Language: english
Abstract: The only nuclear model independent method for the determination of nuclear charge radii of short-lived radioactive isotopes is the measurement of the isotope shift. For light elements (Z < 10) extremely high accuracy in experiment and theory is required and was only reached for He and Li so far. The nuclear charge radii of the lightest elements are of great interest because they have isotopes which exhibit so-called halo nuclei. Those nuclei are characterized by a a very exotic nuclear structure: They have a compact core and an area of less dense nuclear matter that extends far from this core. Examples for halo nuclei are 6^He, 8^He, 11^Li and 11^Be that is investigated in this thesis. Furthermore these isotopes are of interest because up to now only for such systems with a few nucleons the nuclear structure can be calculated ab-initio. In the Institut für Kernchemie at the Johannes Gutenberg-Universität Mainz two approaches with different accuracy were developed. The goal of these approaches was the measurement of the isotope shifts between (7,10,11)^Be^+ and 9^Be^+ in the D1 line. The first approach is laser spectroscopy on laser cooled Be^+ ions that are trapped in a linear Paul trap. The accessible accuracy should be in the order of some 100 kHz. In this thesis two types of linear Paul traps were developed for this purpose. Moreover, the peripheral experimental setup was simulated and constructed. It allows the efficient deceleration of fast ions with an initial energy of 60 keV down to some eV and an effcient transport into the ion trap. For one of the Paul traps the ion trapping could already be demonstrated, while the optical detection of captured 9^Be^+ ions could not be completed, because the development work was delayed by the second approach. The second approach uses the technique of collinear laser spectroscopy that was already applied in the last 30 years for measuring isotope shifts of plenty of heavier isotopes. For light elements (Z < 10), it was so far not possible to reach the accuracy that is required to extract information about nuclear charge radii. The combination of collinear laser spectroscopy with the most modern methods of frequency metrology finally permitted the first-time determination of the nuclear charge radii of (7,10)^Be and the one neutron halo nucleus 11^Be at the COLLAPS experiment at ISOLDE/ CERN. In the course of the work reported in this thesis it was possible to measure the absolute transition frequencies and the isotope shifts in the D1 line for the Be isotopes mentioned above with an accuracy of better than 2 MHz. Combination with the most recent calculations of the mass effect allowed the extraction of the nuclear charge radii of (7,10,11)^Be with an relative accuracy better than 1%. The nuclear charge radius decreases from 7^Be continuously to 10^Be and increases again for 11^Be. This result is compared with predictions of ab-initio nuclear models which reproduce the observed trend. Particularly the "Greens Function Monte Carlo" and the "Fermionic Molecular Dynamic" model show very good agreement.
Die kernmodellunabhängige Bestimmung der Kernladungsradien kurzlebiger Isotope ist nur durch die Messung der Isotopieverschiebung möglich. Für die leichtesten Elemente (Z < 10) werden hierbei allerdings extreme Anforderungen an die Genauigkeit in Experiment und Theorie gestellt, die bisher nur für He und Li erreicht wurden. Die Ladungsradien der leichtesten Elemente sind von großem Interesse, da in dieser Region sogenannte Halokerne existieren, die sich durch eine sehr exotische Kernstruktur auszeichnen: Sie besitzen einen kompakten Rumpfkern und einen weit ausgedehnten Bereich verdünnter Kernmaterie. Beispiele dafür sind 6^He, 8^He, 11^Li und das in dieser Arbeit untersuchte Isotop 11^Be. Darüberhinaus sind die leichten Elemente auch deshalb von Interesse, weil bislang nur bei solchen Systemen mit wenigen Nukleonen ab-initio Berechnungen der Kernstruktur möglich sind. Die Ladungsradien sind hierbei wichtige Vergleichspunkte für diese Theorien. Am Institut für Kernchemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurden in dieser Arbeit zwei Ansätze verfolgt, mit denen die Vermessung der Isotopieverschiebung in der D1 Linie für die Isotope (7,10,11)^Be^+ mit jeweils unterschiedlicher Genauigkeit erreicht wird. Der erste Ansatz sieht vor Be-Ionen in einer linearen Paul-Falle zu speichern, dort bis zum Doppler-Limit zu kühlen und schließlich zu spektroskopieren. Damit soll eine Genauigkeit von einigen 100 kHz erreicht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei lineare Paul Fallen für diesen Zweck entwickelt. Desweiteren wurde die Peripherie, die es ermöglicht Be-Ionen mit einer Startenergie von ca. 60 keV effizient abzubremsen und in die lineare Paul Falle zu transferieren, simuliert und aufgebaut. Für eine der entwickelten Fallen konnte die Speicherung von Ionen bereits demonstriert werden. Der direkte optische Nachweis von gespeicherten 9^Be^+ Ionen wurde jedoch durch die Entwicklungsarbeiten des zweiten experimentellen Ansatzes verzögert und konnte daher im Rahmen dieser Arbeit nicht zum Abschluss gebracht werden. Dieser zweite Ansatz greift auf die Technik der kollinearen Laserspektroskopie zurück, mit der in den letzten 30 Jahren die Isotopieverschiebung für eine Vielzahl schwerer Isotope bestimmt wurde. Bei leichten Isotopen konnte bisher aber nicht die benötigte Genauigkeit erreicht werden, um Informationen über den Kernladungsradius zu extrahieren. Die Kombination der kollinearen Laserspektroskopie mit modernsten Methoden der Frequenzmeterologie in dieser Arbeit, ermöglichte die erstmalige Bestimmung der Kernladungsradien der Isotope (7,10)^Be und des Ein-Neutron-Halo Kerns 11^Be am COLLAPS Experiment an ISOLDE/ CERN. Im Rahmen dieser Arbeit konnten die Übergangsfrequenzen und die Isotopieverschiebungen der D1 Linie für die oben genannten Isotope mit einer Genauigkeit von besser als 2 MHz bestimmt werden. In Kombination mit neuesten Berechnungen des Massene¤ektes ergaben sich die Kernladungsradien der Isotope (7,10,11)^Be mit einem relativen Fehler besser als 1%. Der Kernladungsradius nimmt von 7^Be zu 10^Be hin kontinuierlich ab und steigt bei 11^Be wieder an. Dieses Resultat wird mit den Vorhersagen verschiedener ab-initio Kernmodelle verglichen, die den beobachteten Trend sehr gut widergeben und von denen insbesondere die "Greens Function Monte Carlo" und die "Fermionic Molecular Dynamic" Berechnungen eine sehr gute Übereinstimmung zeigen.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4479
URN: urn:nbn:de:hebis:77-20082
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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