New β-decay half-lives of heavy neutron-rich nuclei and performance studies of the GEM-TPC detector

Abstract

This thesis presents results from the experiments aimed to measure new b-decay half-lives of neutron-rich nuclei near the N = 126 shell and investigate the performance of the GEM-TPC detector. Experimental requirements for the b-decay experiment included production, identification, and analysis of properties of heavy neutron-rich nuclei. In total, one experiment and two in-beam tests were conducted at the FAIR/GSI facility. Four new b-decay half-lives for isotopes ^197-198Re, ¹⁹⁵W, and ¹⁹¹Ta were measured. Additionally, the measured half-life values for ^199-200Os and ¹⁹⁶Re were consistent with literature values. Detailed analyses of the experiment and in-beam tests are presented, including a comparison with measured b-decay half-lives and predicted values from the FRDM + QRPA and CQRPA models. Consistently shorter half-life values than predictions were observed for nuclei near N = 126 shell. The performance analysis of the GEM-TPC detector provided information on its properties, such as x position resolution, y position resolution, cluster strip multiplicity, control sum, detection and tracking efficiencies, strip signal summation, and data digitization impact. Moreover, a clusterization was utilized for the first time in the data analysis of the GEM-TPC detector. The objectives of the studies were to increase our understanding about the properties of nuclei in the vicinity of the third r-process peak and to measure the capabilities of the GEM-TPC. The experimental results of the new b-decay halflives can be used to validate existing models and improve our understanding of the properties of these nuclei. The performance study of GEM-TPC provides information on its measuring capabilities and suitability for future investigations and assists in planning the future experiments.

Tämä väitöskirja esittelee tuloksia kokeista, joiden tarkoituksena oli mitata uusia neutronirikkaiden ytimien b-hajoamisten puoliintumisaikoja N = 126 kuoren läheisyydessä ja tutkia GEM-TPC-ilmaisimen suorituskykyä. Kokeelliset vaatimukset b-hajoamisen tutkimukseen sisälsivät raskaiden neutronirikkaiden ytimien tuottamisen, tunnistamisen ja ytimien ominaisuuksien analysoinnin. Yhteensä kolme mittausta suoritettiin FAIR/GSI-kiihdytinlaboratoriossa. Neljä uutta beetahajoamisen puoliintumisaikaa mitattiin ^197-198Re, ¹⁹⁵W ja ¹⁹¹Ta isotoopeille. Lisäksi mitatut puoliintumisajat ^199-200Os ja ¹⁹⁶Re isotoopeille olivat yhdenmukaisia kirjallisuusarvojen kanssa. Analyysi kolmesta mittauksesta esitetään, sisältäen vertailun mitattujen beetahajoamisten puoliintumisaikojen ja FRDM + QRPA- ja CQRPA-malleista saatujen ennustettujen arvojen välillä. N = 126 kuoren läheisyydessä sijaitseville ytimille havaittiin johdonmukaisesti ennusteita lyhyempiä puoliintumisajan arvoja. GEM-TPC-ilmaisimen suorituskykyanalyysi antoi tietoa ilmaisimen ominaisuuksista, kuten x- ja y-paikkaresoluutiosta, yhden klusterin sisältämien signaalien lukumäärästä, tarkistussummasta, havaitsemis- ja seurantatehokkuudesta, signaalinluentalinjojen signaalien summauksesta ja datan digitalisoinnin vaikutuksesta. Lisäksi klusterisaatiota käytettiin ensimmäistä kertaa tutkitun GEM-TPCilmaisimen data-analyysissä. Tavoitteena oli lisätä ymmärrystämme ytimien ominaisuuksista r-prosessin kolmannen huipun läheisyydessä ja mitata GEM-TPC:n suorituskykyä. Uusia b- hajoamisen puoliintumisaika-arvoja voidaan käyttää olemassa olevien mallien validointiin ja parantaa ymmärrystämme näiden ytimien ominaisuuksista. GEMTPC:n suorituskykytutkimus antaa tietoa ilmaisimen mittauskyvystä ja soveltuvuudesta tuleviin tutkimuksiin, sekä auttaa tulevien kokeiden suunnittelussa.