Experimental Studies of Neutron Deficient Nuclei in the A ≈ 110 and A ≈ 170 Mass Regions

This doctoral thesis describes several experimental studies on the structures of neutron-deficient nuclei with mass numbers A≈110 and A≈170. The experiments were carried out at the Accelerator Laboratory of the University of Jyväskylä, Finland, using heavy-ion fusion-evaporation reactions induced by beams of energies around 5 megaelectronvolts/nucleon. The experimental setups used for these studies are based on the high-resolution germanium-detector array Jurogam in combination with the recoil ion separators RITU or MARA and their respective focal plane detector systems, as well as with other ancillary devices. Using the recoil distance Doppler shift technique, lifetimes of excited states in the neutron-deficient osmium isotopes 169,171,173Os were measured for the first time by coupling the Jurogam germanium detector array with the ancillary device DPUNS (differential plunger for unbound nuclear states), the gas-filled recoil separator RITU, and GREAT the decay spectrometer situated at the RITU focal plane. The differential decay curve analysis method was used to extract lifetimes of the excited states of interest. An anomalously low value was observed for the ratio of the reduced electric quadrupole transition probabilities between consecutive gamma-ray transitions in the yrast band of 169Os. This observation adds to the handful of nuclides known to exhibit such behavior, which cannot be explained by state-of-the-art theory. Based on data from the same experiment, new alpha decay fine structures were identified for the osmium isotopes 171,172Os and iridium isotopes 171,172,174Ir, relying on the correlations of the alpha decays with both prompt and delayed gamma rays. It is suggested that the relatively enhanced hindrance factors observed for some of the newly observed decays might be related to changes in the superposition degree of different geometrical shapes (shape coexistence) in the final-state wave functions of the respective daughter nuclei. Another experimental setup used in the studies was based on the vacuum-mode mass separator MARA and its focal plane detector system in conjunction with the germanium array Jurogam and the charged-particle detector JYTube which was placed around the target position. In this work, the extremely neutron deficient proton emitting lanthanum isotope 116La was discovered. Enhanced proton emission probability and smaller proton-decay Q value were observed for 116La compared with its nearest less neutron-deficient isotope 117La. This unusual circumstance was proposed to be a possible effect of rarely observed neutron-proton pair correlations, as a result of their effect on the spatial distribution of the valence proton wave function. Using the highly selective recoil-decay tagging technique, excited states in the extremely neutron-deficient tellurium isotope 107Te were identified from two independent experiments based on the two setups described above. The deduced level scheme was compared with shell model calculations and TRS (Total Routhian Surface) calculations, indicating that the valence neutron occupying the h11/2 orbit has an important effect on the collectivity. The thesis includes two published articles and two manuscripts in advanced preparation. The experimental techniques and data analysis used in this work are summarized and the theoretical background to the interpretations of the experimental results is briefly outlined.Denna doktorsavhandling beskriver fyra experimentella studier av neutronfattiga atomkärnor med masstalen A≈110 och A≈170. Experimenten utfördes vid Acceleratorlaboratoriet vid universitetet i Jyväskylä, Finland, med användning av fusionsreaktioner inducerade av tungjonstrålar accelererade till energier av ca 5 megaelektronvolt/nukleon. De experimentuppställningar som används för dessa studier var baserade på germaniumdetektorsystemet Jurogam i kombination med rekylseparatorn RITU eller MARA och deras respektive fokalplansdetektorsystem, såväl som med andra tillhörande detektorsystem. Med hjälp av Dopplerskiftsteknik uppmättes livstiderna för exciterade tillstånd i de neutronfattiga osmiumisotoperna 169,171,173Os för första gången genom att kombinera detektorsystemet Jurogam med rekyljonseparatorn RITU, och detektorsystemet GREAT placerat vid RITUs fokalplan. Metoden för analys av differentiella sönderfallskurvor användes för att extrahera livstider för de exciterade tillstånden av intresse. Ett onormalt lågt värde observerades för förhållandet mellan de reducerade elektriska kvadrupolövergångssannolikheterna mellan på varandra följande övergångar i den starkaste gammakaskaden i 169Os. Tidigare har endast en handfull nuklider observerats uppvisa sådant beteende vilket ej kan förklaras av vedertagna teoretiska modeller. Baserat på data från samma experiment identifierades finstrukturer i alfasönderfallen för osmiumisotoperna 171,172Os och iridiumisotoperna 171,172,174Ir, med hjälp av korrelationer mellan alfapartikelemission och fördröjd respektive omedelbar detektion av gammastrålning. Det föreslås att den reducerade övergångssannolikhet som observerades för vissa av dessa alfasönderfall kan relateras till effekter av att vågfunktionen i dotterkärnornas sluttillstånd antar en varierande superposition av olika geometriska former (”shape coexistence”). En annan experimentell uppsättning som användes i studierna var baserad på rekylmasseparatorn MARA och dess fokalplansdetektorsystem i kombination med germaniumdetektorsystemet Jurogam och partikeldetektorn JYTube vilka var placerade runt strålmålet. I analysen av experimentdata upptäcktes den nya protonemitterande lantanisotopen 116La. Ökad protonemissionssannolikhet och lägre sönderfallsenergi observerades för 116La jämfört med den närmaste isotopen 117La. Detta är oväntat och föreslås vara en möjlig effekt av att utökade parkorrelationer mellan neutroner och protoner i kärnan påverkar den spatiella fördelningen av valensprotonens vågfunktion. Med hjälp av den mycket selektiva isotopidentifieringstekniken ”recoil decay tagging” observerades exciterade tillstånd i den extremt neutronfattiga atomkärnan 107Te genom att kombinera data från två oberoende experiment. Experimenten genomfördes med de två olika detektoruppställningar som beskrivitss ovan. Det nivåschema som härleddes jämfördes med skalmodellberäkningar och TRS-medelfältsberäkningar vilket ledde till slutsatsen att när valensneutronen befinner sig i ett s.k. h11/2 orbital har den en betydelsefull effekt på graden av kollektivitet i kärnans vågfunktion. Avhandlingen innehåller två publicerade artiklar och två manuskript. Experimentella tekniker, dataanalysmetoder och den teoretiska bakgrunden till tolkningarna av experimentresultaten som använts i detta arbete beskrivs kortfattat i avhandlingen