Observation and investigation of the new proton-unbound nuclei 30Ar and 29Cl with in-flight decay spectroscopy

Abstract

Two-proton (2p) radioactivity is an exotic nuclear decay mode resulting in the simultaneous emission of two protons. The ground-state 2p radioactivity was discovered in the decay of 45Fe in 2002. Later, this novel decay mode was also found in the decays of 48Ni, 54Zn, and 19Mg.In order to study a promising 2p radioactivity candidate 30Ar, an experiment was performed at the Fragment Separator of GSI in Darmstadt (Germany). The in-flight decay technique, which is based on the tracking of the in-flight decay products by using the silicon strip detectors, was employed. Several calibration and alignment procedures were performed to achieve the best-possible accuracy of position and angle measurements. In order to determine the angular and half-life resolutions as well as the detection efficiency, the decays of the previously-known 2p emitter 19Mg were remeasured. The 2p radioactivity of 19Mg ground state and sequential emission of protons from several known excited states in 19Mg were confirmed. The deduced 2p decay energies are consistent with previous data. The evidence on a new excited state in 19Mg at 8.9^(+0.8)(-0.7) MeV above the 2p threshold was found. It was tentatively suggested that this new 19Mg state decays by sequential emission of protons via two unknown 18Na resonances at 2.5^(+0.7)(-0.3) MeV and 4.0^(+1.5)(-0.6) MeV above the 1p threshold, respectively.Two previously-unknown proton-unbound nuclei 30Ar and 29Cl were identified by measuring the trajectories of their in-flight decay products 28S+p+p and 28S+p, respectively. The analysis of 28S-proton angular correlations provided information on the decay energies and structure of the observed states in 30Ar and 29Cl. The assigned ground state and first excited state of 29Cl were found at 1.8^(+0.1)(-0.1) MeV and 2.3^(+0.1)(-0.1) MeV above the one-proton threshold, respectively. The ground state of 30Ar was found to be 2.45^(+0.05)(-0.10) MeV above the 2p emission threshold. Due to a strong Thomas-Ehrman shift, the lowest states in 30Ar and 29Cl point to a violation of isobaric mirror symmetry in the structure of these unbound nuclei. Detailed theoretical calculations of the correlations between 2p decay products followed by the Monte Carlo simulations of the detector response to the 2p decay were performed in order to investigate the decay mechanism of the 30Ar ground state. Its decay is located in a transition region between simultaneous 2p decay and sequential emission of protons. Such an interplay between the true three-body and the sequential two-body decay mechanisms is the first-time observation in a nuclear ground state. The theoretical investigations of the transition dynamics demonstrated a surprisingly strong sensitivity of the decay correlation patterns to the 2p decay energy of the 30Ar ground state and the one-proton decay energy as well as the one-proton decay width of the 29Cl ground state. The first hint on so-called fine structure in the decay of 30Ar*(2+) was obtained by detecting two decay branches into both ground state and first excited state of 28S. The comparison of the experimental 28S-proton angular correlations with those resulting from the Monte Carlo simulations of the detector response illustrates that other observed 30Ar excited states decay by sequential emission of protons via intermediate resonances in 29Cl. The decay schemes of the observed states in 30Ar and 29Cl were constructed. Die Zwei-Protonen (2p) Radioaktivität ist ein ungewöhnlicher Zerfalls-Modus, bei dem aus einem Atomkern zwei Protonen gleichzeitig emittiert werden. Der 2p-Zerfall von Atomkernen im Grundzustand wurde experimentell erstmals im Jahr 2002 an 45Fe-Kernen beobachtet. Danach wurde diese neue Zerfallsart auch in anderen Nukliden 48Ni, 54Zn und 19Mg entdeckt. Weltweit gibt es Interesse und theoretische wie experimentelle Untersuchungen dieser besonderen Form der Radioaktivität.In der vorliegenden Arbeit wurde ein am Fragmentseparator der GSI durchgeführtes Experiment ausgewertet, bei dem 30Ar, welches aufgrund theoretischer Vorhersagen ein weiterer Kandidat ist, der möglicherweise das Phänomen der 2p-Radioaktivität aufweist, erzeugt und untersucht wurde. Dazu wurde die Methode des "Zerfalls im Flug" angewendet, bei der die Spuren der Zerfallsprodukte (Tochterkern und Protonen) verfolgt und mittels ortsempfindlicher Silizium-Detektoren rekonstruiert werden. Daraus lassen sich Zerfallseigenschaften wie Halbwertszeit und Energietönung sowie über Verzweigungsverhältnisse und angeregte Zustände in den Tochter-Nukliden ableiten. Dabei bewegen sich die Zerfallsprodukte mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und um diese Informationen zu gewinnen, müssen die Spuren der Zerfallsprodukte mit geeigneter Präzision bestimmt werden. Dazu wurde ein Verfahren zur software-mäßigen Kalibrierung und Ausrichtung der Detektoren relativ zueinander entwickelt und angewandt um die bestmögliche Genauigkeit bei Positions- und Winkelmessungen zu erzielen; das Ergebnis wurde anhand einer Messung mit dem bereits bekannten 2p-Emitter 19Mg überprüft. DieseMessung diente gleichzeitig als Referenz zur Überprüfung des gesamten Aufbaus um sicherzustellen, dass aus der Literatur bekannte Ergebnisse zuverlässig reproduziert werden können. In der Tat konnten der 2p-Zerfall des 19Mg-Grundzustands sowie die sequentielle Emission von zwei Protonen aus mehreren angeregten Zuständen in Übereinstimmung mit den bereits bekannten Daten bestätigt werden. Ferner wurde ein weiterer, bisher nicht bekannter Anregungszustand des 19Mg bei 8.9^(+0.8)(-0.7) MeV oberhalb der 2p-Schwelle entdeckt. Die vorliegenden Daten werden so interpretiert, dass dieser Zustand zwei Protonen sequentiell über zwei unbekannte Resonanz-Zustände in 18Na bei 2.5^(+0.7)(-0.3) MeV bzw. 4.0^(+1.5)(-0.6) MeV oberhalb der 1p-Schwelle emittiert.Als wichtigstes Ergebnis wurden die beiden neuen, proton-ungebundenen Isotope 30Ar und 29Cl erstmalig nachgewiesen sowie ihre (Zerfalls-)Eigenschaften durch Messung der Zerfallsprodukte 28S + p + p bzw. 28S + p untersucht. Die Analyse der Winkel-Korrelation von 28S und Proton(en) beim Zerfall im Flug liefert Informationen zu Zerfallsenergien, angeregten Zuständen und Struktur der Nuklide 30Ar und 29Cl. Der Grund sowie der erste angeregte Zustand in 29Cl wurden bei 1.8^(+0.1)(-0.1) MeV und 2.3^(+0.1)(-0.1) MeV oberhalb der Proton-Schwelle gefunden. Der Grundzustand in 30Ar liegt 2.45^(+0.05)(-0.10) MeV oberhalb der 2p-Schwelle. Aufgrund einer signifikanten Thomas-Ehrman Verschiebung deutet die Lage dieser Niveaus auf eine Verletzung der isobaren Spiegelsymmetrie in diesen Kernen hin.Um die experimentellen Daten zu interpretieren, um die Korrelationen der 2p-Zerfälle zu analysieren und um den Zerfallsmechanismus von 30Ar im Detail zu verstehen wurden umfangreiche theoretische Untersuchungen und Simulationsrechnungen durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass der 2p-Zerfall von 30Ar in einem interessanten Übergangsbereich von gleichzeitiger zu sequentieller Emission der beiden Protonen liegt. Das wechselweise Zusammenspiel von Drei-Körper-Zerfall und zwei aufeinanderfolgenden Zwei-Körper-Zerfällen, welches hier erstmalig beobachtet wird, ergibt sich aus der geringen Bindungsenergie und der energetischen Lage der beteiligten Zustände in der Umgebung der Protonen-Abbruchkante: die theoretische Untersuchung der Zerfallsdynamik ergibt eine überraschende und starke Abhängigkeit der beobachteten Korrelationen im 2p-Zerfalls des 30Ar von der Lage des Grundzustands, des Q-Wertes für 1p-Zerfall und der Breite des 1p-Zerfalls des 29Cl-Grundzustands. Die experimentelle Beobachtung von zwei Zerfallszweigen des ersten angeregten 30Ar*(2+)-Zustands in den ersten angeregten bzw. den Grundzustand von 28S wird als "Feinstruktur" des 2p-Zerfalls interpretiert. Der Vergleich der gemessenen 28S-Proton-Winkelverteilungen mit den Ergebnissen von Monte-Carlo Rechnungen ergibt, dass die anderen angeregten Zustände des 30Ar durch sequentielle Emission der Protonen via eines resonanten Zwischenzustands in 29Cl zerfallen. Unter Einbeziehung aller vorliegenden Informationen wurden tentative Zerfalls- und Niveau-Schemata von 30Ar und 29Cl konstruiert.