FACULTEIT WETENSCHAPPEN Nuclear Moments along aluminium isotopic chain using Collinear Laser Spectroscopy Pieter SMOLDERS CERN-THESIS-2017-151 29/08/2017 Promotor: Prof. dr. G. Neyens Proefschrift ingediend tot het Begeleider: W. Gins behalen van de graad van Master of Science in de Fysica Academiejaar 2016-2017 Dankwoord Aangezien deze thesis alleen maar tot stand kon komen dankzij het onderzoek dat in teamverband is uitgevoerd en de hulp die ik gekregen heb van de mensen die achter dit onderzoek stonden, wil ik eerst hier mijn dankbetuigingen geven. Eerst en vooral wil ik mijn promoter in Leuven, Prof. Dr. Gerda Neyens, bedanken om mij de kans te geven om in de zomer van 2016 het experiment bij te wonen in CERN, Geneve. Ik vond het bijzonder leerrijk en verrijkend om daar aanwezig te zijn en te observeren hoe een wetenschappelijk experiment op hoog niveau wordt uitgevoerd. Hierbij wil ik ook mijn begeleider Wouter Gins bedanken die mij wegwijs heeft gemaakt in Geneve en mij geholpen heeft met al de voorschriften om binnen te geraken. Daarnaast bedank ik hem ook voor de begeleiding in Leuven en voor alle technische hulp met het analyse programma SATLAS. Many thanks also to all the phd-students of the COLLAPS collaboration that were present during the measurements. Thanks also to Livio who was also for the first time in CERN and with whom I spent some time going to all the mandatory safety courses. Special thanks go out to the people of the morning shift whom I had the chance to get to know better. This includes Ronald who had interesting views on electrical sockets from around the world. Also Xu that accompanied me during the morning commute from our residence and who also helped me in Leuven with the shell model calculations. And let's not forget the rest of the morning crew: Laura, Simon and Stephan. Last but not least I like to thank everyone from the nuclear moments group under Prof. Neyens in Leuven: Wouter, Xu, Ruben and Agi. They were always ready to help and give good advice during the progress meetings and helped me complete the analysis and this thesis. i Abstract The study of nuclei began with an experiment of Rutherford in 1911. Here, it was shown that the mass of an atom is located inside a small nucleus. This nucleus is made up of protons and neutrons that are arranged in a shell like pattern. This discovery led to the emergence of the nuclear shell model to identify and characterized nuclei. Research into the nuclear structure and the shell configuration that the neutrons and protons adapt can provide information about one of the fundamental forces in nature, the strong force. This force binds nuclear particles into one structure, the nucleus, and determines the effective interactions between neutron and proton. Over the years, there have been developed multiple nuclear shell models to make predictions about the prop- erties of nuclei in different regions of the nuclear chart. These models are based on the interactions between the nucleons. A better understanding of the strong force can thus lead to better shell models. It is predicted there are approximately 6000 different nuclei in the universe. Only a fraction of this amount has been investigated and most are located close to the valley of stability on the nuclear chart. This means the shell models that are being used at the moment are mainly based on the behaviour of the strong force in stable nuclei. During Research into the so called exotic nuclei, deviations between experiment and shell model predictions have been discovered. This means that the interactions between nucleons are different for these nuclei than for stable nuclei. To elucidate the behaviour of the strong force in all regions of the nuclear chart and to create better effective interactions to be used in nuclear shell models, the study of exotic nuclei is of great importance. An example of new strong force behaviour in exotic nuclei are the islands of inversion. One of these islands is located on the nuclear chart from Z=10 to Z=12 and around N=20. However the exact borders of this island has not entirely been determined. The nuclei located inside the island exhibit a different shell configuration than expected by standard shell models for nuclei in that area of the nuclear chart. Normally, an energy gap is present between N=20 and N=21. This energy gap identifies the transition from one shell to another. The neutron or proton number at which a shell is filled is called a magic number. The standard shell model thus predicts a magic number at N=20. The nuclei inside the island of inversion on the other hand show a strongly reduced magicity of N=20 and therefore have a smaller energy gap. As a result these nuclei exhibit a ground state shell configuration that includes neutron excitations to the next shell across the gap. These are called intruder states. This thesis studies the nuclear properties of a series of aluminium isotopes from 26Al to ii iii 31Al by using Collinear Laser Spectroscopy (COLLAPS set-up). The magnetic dipole moment and electric quadrupole moment are determined. These moments are sensitive to the structure of the nucleus and can be used to check the validity of the normal shell model thereby seeing if there is any deviation in strong force behaviour. Specific attention will be given to 29Al and 30Al since both moments (magnetic and electric) are missing for 29Al and the electric quadrupole moment is missing for 30Al. Because aluminium has 13 protons and lies at the edge of the island of inversion, both these isotopes will be checked to exhibit the same deviation in strong force behaviour as isotopes belonging to island of inversion. Expectation is that they exhibit a normal ground state configuration since 31Al has a normal ground state, as confirmed in previous research. From the results obtained in this research, 29Al and 30Al exhibit a normal 0p0h ground state configuration without intruder states. It can be concluded they are not part of the island of inversion. This conclusion was obtained by comparison of experimental nuclear moments with predictions made by the USD interaction (normal magicity) and the SDPF-M interaction (reduced magicity). Samenvatting De studie naar kernen begon met het experiment van Rutherford in 1911. Hiermee werd aangetoond dat de massa van een atoom zich in een kleine kern bevindt. Deze kern bestaat uit protonen en neutronen die zich rangschikken in een schilpatroon. Deze ont- dekking leidde tot het ontstaan van het kernschilmodel om kernen te identificeren en karakteriseren. Onderzoek naar de structuur van kernen en de schilconfiguratie waarin de neutronen en protonen zich bevinden kan informatie verschaffen over ´e´envan de fundamentele krachten, namelijk de sterke kracht. Deze kracht zorgt voor de binding van de kerndeeltjes tot ´e´en geheel, de kern, en bepaalt de effectieve interactie tussen neutron en proton. Over de jaren heen zijn er verschillende schilmodellen opgesteld die voorspellingen kunnen doen over de eigenschappen van kernen in verschillende regio's op de nucleaire map. Deze modellen zijn gebaseerd op de effectieve interacties tussen de kerndeeltjes. Een beter inzicht in de sterke kracht kan dus leiden tot betere schilmodellen. Er is voorspeld dat er 6000 verschillende kernen bestaan in het universum. Hiervan is nog maar een fractie daadwerkelijk onderzocht en deze kernen bevinden zich voornamelijk dicht bij de vallei van stabiliteit op de nucleaire map. Dit betekent dat de schilmodellen vooral gebaseerd zijn op het gedrag van de sterke kracht voor stabiele kernen. Bij on- derzoek naar exotische kernen zijn afwijkingen met de schilmodellen aangetoond, wat wil zeggen dat de interacties tussen de kerndeeltjes voor deze kernen anders zijn dan in de vallei van stabiliteit. Om het gedrag van de sterke kracht in alle gebieden van de nucleaire map te ontsluieren en om betere interacties voor het schilmodel te produceren, is de studie van deze exotische kernen van groot belang. Een voorbeeld van dit afwijkend gedrag is het eiland van inversie. E´envan´ deze eilanden bevindt zich op de nucleaire map van Z=10 tot Z=12 en rond N=20, hoewel de exacte grenzen van dit gebied nog niet volledig bepaald zijn. De kernen in deze regio vertonen een heel andere schilconfiguratie dan voorspeld via het standaard schilmodel voor kernen in deze regio. Het normale schilmodel bevat een energiesprong tussen N=20 en N=21. Deze energiesprong identificeert de overgang van de ene schil naar de andere. Het neutron of proton getal waarbij dat de ene schil volledig gevuld is, noemt men een magic number. Het standaard schilmodel bevat dus een magic number bij N=20. Bij de kernen gelegen in het eiland van inversie is dit magic number sterk verzwakt en de energiesprong kleiner, zozeer dat de grondtoestand van deze kernen bestaat uit een configuratie van neutron excitatie tot de volgende schil. Deze thesis zal aan de hand van de COLLAPS-setup ('Collineaire Laser Spectroscopie') iv v een reeks aluminium-isotopen bestuderen. Van 26Al tot31Al werd het magnetisch dipool moment (µ) en elektrisch quadrupool moment (Q) bepaald. Deze momenten zijn gevoelig aan de structuur van de kern en kunnen gebruikt worden om de validiteit van het schilmodel te controleren en te kijken naar mogelijke afwijkingen van de sterke kracht. Specifiek van 29Al zijn zowel het magnetisch dipool als electrisch quadrupool moment nog niet eerder bepaald, terwijl van 30Al het quadrupool moment niet gekend is. Aangezien aluminium met zijn 13 protonen aan de rand van het eiland van inversie ligt, wordt er nagegaan of deze 2 isotopen dezelfde afwijking vertonen. De verwachting is dat deze isotopen een normale grondtoestand vertonen aangezien voor 31Al al eerder bepaald werd dat het een gewone configuratie in de grondtoestand heeft [1].