Nghiên cứu cấu trúc của các hạt nhân halo 6,8He và 12,14Be thông qua các phản ứng trực tiếp trong động học ngược (TT)

Độ dốc của đường phân bố mật độ cũng phụ thuộc Hình 1.2: So sánh kích thước của11Li với kích thước của hạt nhân khối lượng trung bình40Ca và của hạt nhân nặng208Pb... Có hai kỹ thuật chí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

LÊ XUÂN CHUNG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA CÁC HẠT NHÂN

TRỰC TIẾP TRONG ĐỘNG HỌC NGƯỢC

Chuyên ngành: Vật lý hạt nhân nguyên tử

Mã số: 62 44 01 06

TÓM TẮTLUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2016

Công trình được hoàn thành tại:

Trung tâm Vật lý hạt nhân, viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

Hà Nội; Trung tâm Vật lý hạt nhân, viện Nghiên cứu ion nặng GSI Damstadt, Cộng hòa liên bang Đức

Người hướng dẫn khoa học: GS TS Đào Tiến Khoa

: GS TS Peter Egelhof

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp viện chấm luận án tiến sĩ họp tại

Vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

Chương 1

Giới thiệu

Cấu trúc halo của hạt nhân đã được tập trung nghiên cứurất mạnh mẽ với chùm đồng vị phóng xạ không bền (RIB) kể từnhững năm tám mươi của thế kỷ trước Nó được thực nghiệmphát hiện và chứng minh lần đầu tiên qua loạt thí nghiệm củaTanihata và các đồng nghiệp [1, 2] Cấu trúc halo là cấu trúc baogồm một lõi chặt và các nucleon liên kết yếu ở xa Do đó, phân bốvật chất hạt nhân halo thường được mở rộng dẫn đến bán kínhcủa hạt nhân lớn có thể so sánh được với hạt nhân nặng bền Một

ví dụ về cấu trúc này được thể hiện trong hình 1.2, trong đó kíchthước của11Li có thể so sánh với kích thước của hạt nhân có khốilượng trung bình40Ca và của hạt nhân nặng 208Pb Không giốngnhư hạt nhân bền, hàm sóng (HS) của các nucleon halo khác với

HS của các nucleon trong lõi Dẫn đến, sự phân bố mật độ củachúng khác nhau Năng lượng tách càng nhỏ, đuôi phân bố mật

độ càng dài Độ dốc của đường phân bố mật độ cũng phụ thuộc

Hình 1.2: So sánh kích thước của11Li với kích thước của hạt nhân khối

lượng trung bình40Ca và của hạt nhân nặng208Pb.

1

vào mô men góc của quỹ đạo Cấu trúc này thường liên quan đếncác nucleon hóa trị thuộc quỹ đạo s và p Có hai kỹ thuật chính đểtạo chùm tia các đồng vị không bền sử dụng trong các thí nghiệmnghiên cứu cấu trúc halo là: kỹ thuật tách các đồng vị trên đườngbay rồi gia tốc (ISOL) và phương pháp tách hạt đã được gia tốc(in-flight) Chùm tia đồng vị phóng xạ được sử dụng cho các thínghiệm trong động học ngược, thông thường được kết hợp với bia

"hoạt" để tăng độ sáng phản ứng

Luận án này trình bày kết quả nghiên cứu cấu trúc halo củacác hạt nhân 6,8He và 12,14Be thông qua các phản ứng trực tiếptrong động học ngược thực hiện tại viện GSI Darmstadt tại E ≈

700 MeV/u [3, 9, 11]

6,8He là những hạt nhân halo nhẹ nhất và được cho là bao gồmlõi α với tương ứng 2 và 4 nơtron halo liên kết yếu Các phản ứngtán xạ đàn hồi6,8He+p được đo trong 2 loạt thí nghiệm cho vùng

mô men xung truyền thấp [9] và cao [11] chứa vùng cực tiểu nhiễu

xạ đầu tiên Phân tích số liệu tán xạ đàn hồi cho chúng ta thôngtin trực tiếp về kích thước và phân bố mật độ hạt nhân Bộ sốliệu đầu nhạy với thông tin cấu trúc bề mặt hạt nhân [4], chính làvùng thể tích halo Trong khi đó, bộ số liệu thứ hai lại nhạy vớicấu trúc lõi [5] Do đó, phân tích bộ số liệu tổng được chờ đợi sẽcung cấp thông tin chính xác về kích thước và phân bố vật chấtcủa 6,8He

Cấu trúc của các hạt nhân không bền12,14Be được nghiên cứuthông qua phản ứng phân mảnh p(12Be,11Be) và p(14Be,12Be),thuộc loạt thí nghiệm đo vùng mô men xung truyền thấp Độrộng của phân bố mô men xung lượng là thông tin quan trọngkhông chỉ về sự hình thành cấu trúc halo mà còn về cấu hìnhtrạng thái cơ bản của hạt nhân Ngoài ra, sự không bền vững tại

số magic N = 8 trong hạt nhân 12Be cũng đang rất được quantâm, nó vượt ra ngoài khả năng giải thích của lớp vỏ

Nghiên cứu tính khả thi và R&D của các detector bán dẫnsilicon hai chiều nhiều dây, sử dụng trong các dự án tương laiEXL cho cùng hướng nghiên cứu, cũng được trình bày

Chương 2

Các thí nghiệm

Chùm sơ cấp18O được tạo ra và gia tốc lên năng lượng xấp

xỉ 750 MeV/u Sau đó, nó được bắn vào một bia sơ cấp berilliumdày 8 g/cm2 ở lối vào của bộ tách hạt (FRS) Các sản phẩm thứcấp là12,14Be được tạo ra và chọn lọc Tại vị trí bia thứ cấp hydro,năng lượng của chúng lần lượt là 700.5 và 700 MeV/u

Sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày trong hình 2.3 Trong

đó, bộ phần chính là buồng ion hóa IKAR chứa khí hyđro [6, 7, 9],

nó được sử dụng vừa là bia và là detector đo hạt proton giật lùi(bia hoạt) Tín hiệu proton giật lùi được trùng phùng với hạt Betán xạ Góc tán xạ θs và điểm tương tác được xác định từ cáctọa độ đo bởi hệ detector đo quỹ đạo gồm 2 cặp buồng đếm tỷ

lệ 2 chiều nhiều dây (MWPC1 -MWPC2 và MWPC3-MWPC4),

bố trí phía trước và sau IKAR Các detector nhấp nháy S1, S2

và S3 được sử dụng để nhận dạng chùm hạt đạn và lấy tín hiệu

"trigger" Việc nhận diện hạt được thực hiện thông qua phươngpháp thời gian bay (ToF) giữa bản nhấp nháy S1-S8 (S8 đặt cuốiFRS) và độ mất năng lượng của hạt ∆E trên S1, S2 và S3 Thêmvào đó, bản nhấp nháy phản trùng phùng với lỗ tròn có đường

3

Hình 2.3: Sơ đồ thí nghiệm Bộ phấn chính là buồng ion hóa IKAR, làm nhiệm vụ của bia hoạt Chi tiết được trình bày trong bài viết.

kính 2 cm tại tâm chỉ cho phép ghi nhận các hạt đi qua lỗ tròn,các sự kiện còn lại sẽ bị loại trừ Hạt nhân Be tán xạ sau phảnứng, sau khi bay qua nam châm từ ALADIN (có vai trò phân táchhạt theo độ cứng từ) được nhận diện nhờ bản nhấp nháy nhạy vịtrí đặt tại cuối bố trí thí nghiệm

Nhận diện hạt đạn

Nhận diện hạt đạn được thực hiện "offline" theo phươngpháp đo ∆E và ToF ∆E được đo bởi các detector S1, S2 và S3.ToF được đo bởi tín hiệu từ S8 và từ S1, trong đó S8 và S1 lần lượtcho các tín hiệu start và stop Độ dài quãng bay là 40 m, ToF đặctrưng của đồng vị Be là 223 ns Hình 2.9 minh họa nhận diện chochùm tia tới12Be (phương pháp tương tự được áp dụng cho chùmtia tới 14Be) Hình nhỏ a biểu diễn tương quan giữa năng lượngmất ∆ES1 trên S1 và ∆ES2 trên S2 Tương quan năng lượng mấttrên S2 và thời gian bay được trình bày trên hình nhỏ b Nănglượng mất trên S3 ∆ES3 được trình bày trên hình nhỏ c nhằmmục đích lựa chọn những đồng vị có cùng số Z Chùm hạt tớiđược lựa chọn bằng điều kiện cắt phù hợp cho12Be trên các hình

Hình 2.9: Nhận diện chùm tia tới Be.

nhỏ a và b, sau đó thêm điều kiện giới hạn vùng phổ Be trên hìnhnhỏ c để đảm bảo rằng các hạt được chọn là đồng vị beryllium

Hình 2.16: Nhận diện các mảnh sau phản ứng11,12Be.

5

Nhận diện phân mảnh

Công việc này được thực hiện nhờ bộ phân tích từ ALADIN

và tường nhấp nháy nhạy vị trí Đầu tiên, tương quan giữa vị trítrên tường nhấp nháy và góc tán xạ trong mặt phẳng x được xâydựng, xwall vs θx, để lựa chọn các hạt11,12Be như trên hình nhỏ

a và b của hình 2.16 Sau đó, điều kiện được đặt thêm vào vùngphổ đo bởi tường nhấp nháy để đảm bảo là đã lựa chọn các đồng

vị Be, thể hiện trên hình 2.16.c

Hình 2.19 trình bày kết quả phân bố mô men xung lượng nằmngang của các mảnh11,12Be từ phản ứng p(12Be,11Be) và p(14Be,

12Be) tại năng lượng lần lượt là 700.5 và 700 MeV/u

Hình 2.19: Phân bố mô men xung lượng nằm ngang của các mảnh 11,12 Be tương ứng trên hình nhỏ a và b Các hình chỉ bao gồm sai số thống kê.

Tiết diện tán xạ đàn hồi 6,8He+p được đo trong 2 loạt thínghiệm cho vùng xung truyền thấp [9] và cao [11] tại năng lượngxấp xỉ 700 MeV/u Quy trình tương tự tại FRS như nhắc đến ởphần trên được thực hiện nhằm tạo ra chùm hạt thứ cấp 6,8He.Loạt thí nghiệm đầu đo xung truyền −t trong khoảng từ 0.016 đến0.05 (GeV/c)2 sử dụng IKAR, trong khi đó loạt thí nghiệm sau đoxung truyền trong vùng kế tiếp cho đến 0.22 (GeV/c)2 chứa vùngcực tiểu nhiễu xạ đầu tiên sử dụng bia hydro lỏng (LH2)

Bố trí thí nghiệm đo vùng xung truyền thấp tương tự như bốtrí các thí nghiệm đo phản ứng phân mảnh ngoại trừ việc trong

Figure 2.23: Bố trí thí nghiệm đo tiết diện tán xạ đàn hồi He+p vùng

xung truyền cao sử dụng bia LH 2

các thí nghiệm phân mảnh có thêm bộ phân tích từ ALADIN vàtường nhấp nháy nhạy vị trí

Loạt thí nghiệm tiếp theo [11] đo số liệu tán xạ đàn hồi6,8He+ptrong vùng xung truyền cao Sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình

Figure 2.29: Tiết diện tán xạ đàn hồi 6,8 He+p tại năng lượng xấp xỉ 700 MeV/nucleon đo trong vùng xung truyền thấp [9] và cao [11] theo góc tán

xạ trong hệ tọa độ tâm xung lượng.

7

bày trên hình 2.23 Hầu hết các hệ đo là cùng loại và thực hiệncùng chức năng giống như trong thí nghiệm phân mảnh Sự khácnhau ở đây là việc sử dụng các buồng đếm tỉ lệ nhiều dây MWPC5-MWPC6 để đo proton giật lùi, và từ năng lượng mất đo bởi tườngnhấp nháy (RPW) năng lượng tổng của hạt proton có thể đượcxây dựng Thay cho IKAR bia lỏng LH2 được sử dụng nhằm mụcđích bù cho việc tiết diện phản ứng suy giảm khi góc tán xạ lớn

từ thực tế là mật độ bia lỏng lớn hơn bia khí rất nhiều

Tiết diện tán xạ đàn hồi6,8He+p tại năng lượng ≈ 700 MeV/u

từ các thí nghiệm [9, 11] được trình bày trên hình 2.29

R&D của các DSSD cho dự án EXL

Detector bán dẫn hai chiều nhiều dây (DSSD) là thành phầnchủ yếu được sử dụng trong các thí nghiệm thuộc dự án EXL tạiFAIR Cùng với các detector dạng miếng silicon pha lithium dày(Si(Li)), hai detector này hợp thành hệ đo ∆E − E (hệ telescope).Những vấn đề chính được trình bày bao gồm:

• Kiểm tra khả năng đo phổ của DSSD sử dụng nguồn phóngxạ: ví dụ như độ phân giải năng lượng dE và năng lượngmất ∆E, hiệu suất đếm (), ngưỡng năng lượng thấp và khảnăng phân biệt theo hình dạng xung

• Năng lượng tổng xây dựng từ hệ telescope DSSD-Si(Li)trong thí nghiệm kiểm tra với chùm tia tới proton

Các DSSD phiên bản đầu tiên được nghiên cứu dày 300 (300±10)

µm có số dây các mặt p và n là 16x16, 64x64 và 64x16 Detectornhỏ nhất có 16 dây mỗi mặt, dây trên hai mặt vuông góc với nhau.Kích thước của detector là 7.1x7.1 mm2 Tại mặt p, độ rộng củadây (strip) và dây tiếp giáp (interstrip) lần lượt là 285 µm và 15

µm, trong khi đó giá trị của chúng là 235 µm và 65 µm tại mặt

n Chính vì vậy, độ rộng dây tổng (pitch) là 300 µm ở cả hai mặt

Hình 2.30: Tiết diện mặt p và n của 16x16 DSSD (Mặt n được quay 90

để minh họa)

64x64 DSSD có 64 dây ở mỗi mặt và kích thước là 21.2x21.2 mm2.Detector này có cùng kích thước dây và dây tiếp giáp với detectornhỏ Loại detector lớn thứ hai là 64x16 DSSD, có cùng kích thướcngoài như của 64x64 DSSD Sự khác biệt ở đây là chỉ có 16 dâytại mặt n với độ rộng dây tổng là 1200 µm hình thành từ dây rộng

1135 µm và dây tiếp giáp rộng 65 µm Hình 2.30 biểu diễn cấutrúc của các mặt detector DSSD, khoảng cách giữa hai mặt là 300µm

Độ phân giải năng lượng của hạt α có năng lượng ≈5.486MeV phát ra từ nguồn 214Am nằm trong khoảng từ 14 keV đến

26 keV cho cả 2 trường hợp đo bởi dây phía mặt p và n sử dụngdetector nhỏ (16x16), phụ thuộc vào hệ điện tử Để xác định hiệusuất của DSSD, chúng tôi biểu diễn tương quan giữa năng lượng

đo bởi các dây tại 2 mặt p và n Sau đó hình vẽ được chia làm 4vùng tương ứng với 4 loại sự kiện: (1) dây-dây, (2) dây-dây tiếp

Bảng 2.4: Hiệu suất ghi của DSSD (%), trường hợp hạt đi vào từ mặt p.

giáp, (3) dây tiếp giáp-dây và (4) dây tiếp giáp-dây tiếp giáp Ởđây, "dây" ngụ ý trường hợp tín hiệu được tạo ra khi hạt tới mấtnăng lượng trên một dây khi chúng đi vào dây này, "dây tiếp giáp"ngụ ý tín hiệu được chia sẻ giữa hai dây lân cận khi hạt đi vàovùng tiếp giáp giữa 2 dây Phần trăm của từng loại sự kiện thuđược phù hợp với hình học dây tổng của DSSD 16x16 Các kếtquả được tổng hợp trong bảng 2.4.

Nguồn α 148Ga được sử dụng để kiểm tra hàm phản ứng củadetector tại năng lượng thấp, lợi điểm nữa là hạt phát ra từ nguồn

là đơn năng 3.18 MeV Phổ năng lượng mặt p (FIG 2.37.a) baogồm một đỉnh chính (main peak) ứng với năng lượng toàn phầnhạt alpha với phân giải năng lượng FWHM là 21 keV Tương tự,phổ năng lượng mặt n có đỉnh chính với FWHM bằng 26 keV trênhình 2.37.b Các đóng góp của thành phần phổ mỗi mặt của DSSDđược trình bày trong bảng 2.6

Bảng 2.6: Đóng góp của các thành phần phổ (%).

Phổ năng lượng Main peak Bump Background

Hình 2.37: Phổ năng lượng đặc trưng của DSSD 16x16 Thành phần phổ

được thảo luận trong bài viết.

Thí nghiệm với chùm tia proton từ máy gia tốc có nănglượng 50 MeV được thực hiện tại KVI Groningen [8] Mục đích là

Hình 2.41: Bố trí thí nghiệm tại KVI, 2 DSSD và 2 Si(Li) được đặt trong

buồng chân không.

nhằm nghiên cứu hàm phản ứng của DSSD đối với các hạt xuyênqua năng lượng cao, và để kiểm tra chất lượng năng lượng tổngxây dựng từ các detector của telescope

Sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày trong hình 2.41, trong

đó DSSD là loại 64x64 và 64x16 Các DSSD và 2 detector Si(Li)[15] được đặt trong buồng chân không Chùm tia được điều chỉnh

để chiếu qua tâm của Si(Li) một tức là ở góc giao tiếp giữa 4

Hình 2.8: Hiệu suất của DSSD (%).

miếng (pad), và qua tâm một miếng của Si(Li) hai.

Hiệu suất ghi của detector được xác định theo hình biểu diễntương quan 2-D giữa năng lượng ghi nhận tại mặt p và n, và đượctrình bày trong bảng 2.8 Năng lượng của proton được xây dựnglại theo tổng các năng lượng mất trong 2 DSSD và 2 Si(Li) Độphân giải năng lượng FWHM của đỉnh 45.2 MeV là 396 keV (hình2.45) Giá trị này thỏa mãn yêu cầu ghi nhận của các thí nghiệmthuộc dự án EXL

Chương 3

Kết quả phân tích theo mẫu

Glauber và thảo luận

trung bình và mẫu Glauber

Tiết diện Glauber tán xạ nhiều lần đàn hồi proton-hạt nhân(GMSM) được tính theo

dσ

dΩc.m.

= |Fel(q)|2 (3.1)Khi bỏ qua tương quan vị trí nhiều hạt, mật độ nhiều hạt đượcviết dưới dạng tích mật độ đơn hạt

ρj(rj) là mật độ nucleon điểm Cả ρA và ρj đều được chuẩn hóa

về 1 Như vậy, biên độ tán xạ có thể viết dưới dạng [12, 14]

nucleon thứ j với thành phần vuông góc tương ứng sj, ψ là hàmsóng Hàm giao diện tương tác cặp proton-nucleon γj được tínhtheo công thức

γj(b) = 1

2πik

Z

e−iqbfpN(q)d2q (3.4)

Khi xét đến spin của proton, đóng góp tương tác quan trọng nhất

là phần spin-quỹ đạo (s-o), các thành phần tương tác spin khác cóthể được bỏ qua [4] Với đóng góp này, biên độ tương tác proton-nucleon có dạng

fpN(q) = fpNc (q) + σ(ˆb × ˆk)fpNs (q), ˆb = b/b, ˆk = k/k (3.5)

Ở đây, fpNc (q) và fpNs (q) là biên độ xuyên tâm và s-o, σ là toán

tử spin của hạt proton tới Chúng cũng có thể được tham số hóadưới dạng [4, 13] phụ thuộc vào q như sau

 (3.7)

Trong các phương trình trên, σpN là tiết diện tổng tương tác

pN , εpN và αslà tỷ số cường độ phần thực và phần ảo, βpN và βs

là tham số độ dốc, Ds là cường độ tương đối của biên độ s-o, và

M là khối lượng nucleon

Với các tính toán trong luận án, giá trị của các tham số chophần biên độ tương tác xuyên tâm fpNc được lấy từ tài liệu [14],

βpN và các tham số trong (3.7) được điều chỉnh để có thể mô tả

số liệu tán xạ đàn hồi p+4He ở Ep ∼ 700 MeV [9, 16] sử dụng cáctính toán GMSM có tính đến đóng góp của tương tác s-o Tất cảcác tham số được sử dụng trong các tính toán GMSM được chotrong bảng 3.1, với các tham số mới sau điều chỉnh βpN, Ds, βs,

và αs gần với các giá trị đưa ra trước đó bởi tài liệu [17]

Bảng 3.1: Các tham số tính biên độ tán xạ xuyên tâm và s-o được sử dụng trong luận án khi phân tích GMSM trên các số liệu tán xạ6,8He+p

và mật độ vật chất của 6,8He là SF (Symmetrized Fermi) [14],

GH Halo) [14], WS (Woods-Saxon) [12], GG Gaussian) [14] và GO (Gaussian-Oscillator) [14] Chúng đều códạng mật độ điểm nucleon Trong 3 mô hình đầu, tất cả các nu-cleon có cùng phân bố mật độ Trái lại, mô hình GG và GO chophép mô tả dạng khác nhau đối với nucleon trong lõi và halo.6,8Heđược giả thiết bao gồm một lõi α và lần lượt có 2, 4 nơtron halo.Bên cạnh đó, mật độ COSMA (the cluster-orbital shell-modelapproximation) [18] đã được kiểm chứng trong nghiên cứu hạtnhân halo [19–21] cũng được sử dụng Các tham số thu được được

(Gaussian-so sánh với các tham số từ tài liệu [18] cho6,8He Cũng giống như

GG và GO, mẫu COSMA mô tả một cách riêng cho phần lõi vàphần halo

(R c =1.90) (R h =3.35)

15