Nuclear charge radius of the halo nucleus lithium-11

Abstract

Nuclear charge radii of short-lived isotopes can be probed in a nuclear-model independent way via isotope shift measurements. For this purpose a novel technique was developed at GSI, Darmstadt. It combines two-photon laser spectroscopy in the 2s-3s electronic transition of lithium, resonance ionization, and detection via quadrupole mass spectrometry. In this way an accuracy of 5e-5 which is necessary for the extraction of nuclear charge radii, and an overall detection efficiency of 1e-4 is reached. This allowed an isotope shift measurement of Li-11 for the first time at the TRIUMF facility in Vancouver. Additionally, uncertainties in the isotope shift for all other lithium isotopes were reduced by about a factor of four compared to previous measurements at GSI. Results were combined with recent theoretical mass shift calculations in three-electron systems and root-mean-square nuclear charge radii of all lithium isotopes, particulary of the two-neutron halo nucleus Li-11, were determined. Obtained charge radii decrease continuously from Li-6 to Li-9, while a strong increase between Li-9 and Li-11 is observed. This is compared to predictions of various nuclear models and it is found that a multicluster model gives the best overall agreement. Within this model, the increase in charge radius between Li-9 and Li-11is to a large extend caused by intrinsic excitation of the Li-9-like core while the neutron-halo correlation contributes only to a small extend.

Kernladungsradien kurzlebiger Isotope können nur durch die Messung der Isotopieverschiebung kernmodellunabhängig bestimmt werden. Dazu wurde an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt eine neuartige Technik entwickelt. Diese kombiniert Zweiphotonen-Spektroskopie des 2s-3s-Übergangs mit Resonanz-Ionization und einem Nachweis durch Quadrupol-Massenspektrometrie. Auf diese Weise wird sowohl für eine Bestimmung der Kernladungsradien die notwendige Genauigkeit von 5e-5 als auch eine Effizienz von 1e-4 erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit ist es mit der Methode gelungen am TRIUMF Institut (Vancouver) erstmals die Isotopieverschiebung des Isotops Li-11 zu messen. Darüberhinaus konnte die Genauigkeit für die anderen Lithiumisotope gegenüber früheren Messungen an der GSI um etwa einen Faktor vier verbessert werden. Die Resultate wurden mit den neuesten Berechnungen des Masseneffekts in Drei-Elektronen-Systemen kombiniert, um die mittleren quadratischen Ladungsradien aller Lithium-Isotope, insbesondere des Zwei-Neutronen-Halokerns Li-11, zu bestimmen. Die erhaltenen Radien nehmen von Li-6 bis Li-9 kontinuierlich ab, während der Radius von Li-9 zu Li-11 stark ansteigt. Dies wird mit verschiedenen Kernmodellen verglichen, von denen ein Multicluster-Modell die beste Übereinstimmung zeigt. In diesem Modell wird der Anstieg des Kernladungsradius zwischen Li-9 und Li-11 hauptsächlich durch intrinsische Anregungen des Li-9-Rumpfes verursacht, während die Korrelation der Halo Neutronen nur eine untergeordnete Rolle spielt.