The thesis studies the bulk deformation properties of the Skyrme nuclear energy densityfunctionals. Following simple arguments based on the leptodermous expansion andliquid drop model, the current research applies the nuclear density functional theory toassess the role of the surface symmetry energy in nuclei. To this end, one can validatethe commonly used functional parametrizations against the data on excitation energies ofsuperdeformed band-heads in Hg and Pb isotopes, and fission isomers in actinide nuclei.After subtracting shell effects, the results of our self-consistent calculations are consistentwith macroscopic arguments and indicate that experimental data on strongly deformedcongurations in neutron-rich nuclei are essential for optimizing future nuclear energy densityfunctionals. The resulting survey provides a useful benchmark for further theoreticalimprovements. Unlike in nuclei close to the stability valley, whose macroscopic deformabilityhangs on the balance of surface and Coulomb terms, the deformability of neutron-richnuclei strongly depends on the surface-symmetry energy; hence, its proper determinationis crucial for the stability of deformed phases of the neutron-rich matter and descriptionof fission rates for r-process nucleosynthesis. The results and consequent discussions fromthe thesis were published in Ref. [134].

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18068号 / 理博第3946号 / 新制||理||1568(附属図書館) / 30926 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 延與 佳子, 教授 畑 浩之, 准教授 板垣 直之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

<p> An expression is obtained for the energy per particle in neutron star matter. The energy per particle is expressed as a function of, y, the ratio of protons to the total number of nucleons in the system. Minimizing the energy with respect to y gives the optimum proton ratio at a given density. Using an effective nuclear force, the results were extrapolated to a density of p = 6pNM. The proton ratio is rather sensitive to the force used, but all forces used indicated a peak in the proton concentration at p (approximately equal to) 2pNM. The expression for the energy as a function of y was also used to interpolate the energy per particle between the nuclear matter and neutron . gas limits. The form of this interpolation is important in determining the stability of neutron-rich nuclei. </p> / Thesis / Master of Science (MSc)

The investigation of isomeric states in neutron-rich nuclei provides useful insights into the underlying nuclear configurations, and understanding their occurrence along an isotopic chain can inform about shell evolution. Recent studies on neutron-rich Si isotopes near the magic number N = 20 and approaching N = 28 have revealed the presence of low-lying states with intruder configurations, resulting from multiple-particle, multiple-hole excitations across closed shell gaps. The characterization of these states involves measuring their half-lives and transition probabilities. In this study, a new low-energy (7/2−1) isomer at 68 keV in 37Si was accessed via beta decay and characterized. To achieve this, radioactive 37Al and 38Al ions were produced through the projectile fragmentation reaction of a 48Ca beam and implanted into a CeBr3 detector, leading to the population of states in 37Si. The 68-keV isomer was directly populated in the beta-delayed one neutron emission decay of implanted 38Al ions. Ancillary detector arrays comprising HPGe and LaBr3(Ce) detectors were employed for the detection of beta-delayed gamma rays. The choice of detectors was driven by their excellent energy and timing resolutions, respectively. The beta-gamma timing method was utilized to measure the half-life of the new isomeric state in 37Si. This dissertation also discusses other timing techniques employed to search for and characterize isomeric states following beta decay of implanted ions. Notably, the half-life of the newly observed (7/2−1) isomeric state in 37Si was measured to be 9.1(7) ns. The half-life of the previously observed closely-lying (3/2−1) state at 156 keV was determined to be 3.20(4) ns, consistent with previously reported values. Reduced ground-state transition probabilities associated with the gamma-ray decay from these excited states were in agreement with results obtained from shell model calculations. In addition to the investigation of isomeric states in 37Si, isomeric 0+ states in 34Si and 32Mg nuclei belonging to the N = 20 “island of inversion” were characterized and searched for, respectively. The isomeric 0+ state in 34Si was populated following the beta decay of implanted 34Mg ions and its 34Al daughter nucleus. Similarly, the 0+ state in 32Mg was searched for via the beta-delayed one neutron emission decay of implanted 33Na ions.

La fermeture de couche de l'oscillateur harmonique à N=40 dans le 68Ni est faible et perd sa rigidité après l'enlèvement (ou l'ajout) de paires de protons. Les calculs effectués dans cette région de masse prédisent un nouvel îlot d'inversion à N=40 semblable à celui à N=20 et montrant que le placement de l'orbital neutron 2d5/2 est un ingrédient essentiel pour l'interprétation de la structure nucléaire à N≈40. La différence d'énergie 1g9/2-2d5/2 a été déterminée dans le noyau 69Ni en utilisant la réaction de transfert d'un neutron d(68Ni,p) en cinématique inverse. L'expérience réalisée au GANIL utilisait un faisceau de 68Ni à 25,14 MeV/u. Les noyaux 68Ni séparés par le spectromètre LISE3 ont ensuite interagit avec une cible de CD2 d'épaisseur 2,6 mg/cm2. Le dispositif expérimental était composé principalement des détecteurs CATS/MUST2-S1/EXOGAM couplés à une chambre d'ionisation et un scintillateur plastique. Les moments angulaires et les facteurs spectroscopiques de l'état fondamental (Jπ = 9/2+) et d'un doublet d'états ( Jπ = 5/2+) autour de 2,48 MeV, associés à la population des orbitales 1g9/2 et 2d5/2, ont été obtenus après la comparaison des sections efficaces différentielles et des calculs ADWA. Les spins des états observés ont été attribués après comparaison aux calculs de modèles en couches dans un grand espace de valence. La position de l'orbitale 2d5/2 dans 69Ni a été établie pour la première fois. Nos mesures confirment l'hypothèse de la faible différence d'énergie (≈2,5 MeV) entre l'orbitale neutron 2d5/2 et l'orbitale 1g9/2 et son importance pour décrire la structure des noyaux autour de N=40. / The harmonic oscillator shell closure at N=40 in 68Ni is weak and loses its strength when removing (or adding) pair of protons. Calculations performed in this mass region predict a new island of inversion at N=40 similar to the one at N=20. Using a large valence space, the neutron orbital 2d5/2 is shown to be a crucial ingredient for the interpretation of the nuclear structure at N≈40. The neutron 1g9/2-2d5/2 energy difference has been determined in 69Ni using the d(68Ni,p) transfer reaction in inverse kinematics. The experiment performed at GANIL used a 68Ni beam at 25.14 MeV/u seperated by the LISE3 spectrometer was impinging a CD2 target of 2.6 mg/cm2 thickness. The experimental setup consisted of CATS/MUST2-S1/EXOGAM detectors coupled to an ionization chamber and a plastic scintillator. The angular momenta and spectroscopic factors of the ground state (Jπ = 9/2+) and a doublet of states ( Jπ = 5/2+) around 2.48 MeV corresponding to the population of the 1g9/2 and the 2d5/2 orbitals, were obtained from the comparison between the experimental cross-sections as a function of the proton detection angle and ADWA calculations. The spins of the observed states were assigned by comparaison to large scale Shell-Model calculations. The position of the 2d5/2 orbital in 69Ni has been established for the first time. Our measurements support the hypothesis of a low-lying 2d5/2 orbital (≈2,5 MeV) with respect to the 1g9/2 neutron orbital and thus its major role in the structure of the nuclei around N=40.

Durant cette thèse, nous avons étudié les décroissances β des noyaux de gallium autour de N=50 et préparé une source d'ionisation laser à ALTO. Le besoin d’accéder à des régions de plus en plus exotiques pour la production de faisceaux radioactifs requiert l’élimination des contaminants polluant le faisceau d’intérêt. Afin de résoudre ce problème, une source d’ionisation laser a été développée à ALTO. Le cuivre a été choisi comme premier élément à ioniser pour ses intérêts physiques et pour comparer le fonctionnement de la source laser avec celles des autres installations de recherche. Des lasers ont été ainsi installés et optimisés pour ioniser sélectivement ce type d’atome produits pour les expériences. Ce montage laser nous a permis de tester l’ionisation du cuivre stable avec succès.L'étude de la région des noyaux riches en neutrons autour de N=50 est encore à approfondir. Les connaissances des noyaux de cette région sont clairsemées ce qui ne permet pas de clore les différents débats dont ils sont le sujet. Nous avons donc étudié les noyaux 79,80,82,83,84,85Ga produits à ALTO. Pour cela, un faisceau d’électrons (50MeV et 10µA) délivré par l’accélérateur linéaire est envoyé sur une cible de carbure d’uranium portée à 2000°C. Les électrons y émettent un rayonnement de freinage qui entraine la fission des noyaux d’uranium. Les produits de fission diffusent jusqu’à une source d'ionisation de surface qui est installée en sortie de cible pour ioniser les atomes de gallium et produire le faisceaux d’ions. Ce système nous permet d'étudier les décroissance β- et β--n des isotopes 79,80,82,83,84,85Ga.L’analyse de cette expérience a produit de nouveaux résultats sur les décroissances de 80Ga, 84Ga et 84Ge. Pour 80Ga, l’étude des données a confirmé l’existence d’un état isomérique et a permis de mesurer les durées de vie de l’état fondamental et de l’isomère. De plus, l’analyse de la décroissance de 84Ge a permis de confirmer deux états et de proposer un troisième pour 84As. Enfin la comparaison des résultats expérimentaux avec des calculs théoriques a confirmé l’assignation de spin-parité des premiers états 2+ et 4+ mais aussi du caractère triaxial de 84Ge proposés antérieurement à cette thèse. Le deuxième état 2+ de cet isotope a aussi été identifié. Pour les états de 84As, l’assignation des spins et des parités de quatre états a été proposée et interprétée en terme de mélange de configurations. / During this thesis, we have studied β decays of gallium’s nuclei around N=50 and prepared a laser ionization source at ALTO.The production of exotic isotopes has brought new beam production challenges. The one addressed here relates to the elimination of isobar contaminants that create background for experiments. To address this issue a laser ionization source has been developed at ALTO. Copper has been chosen to be the first element to be ionized for physical interests and to compare the results of the laser ionization source with the ones at others facilities. A laser setup has been installed and optimized in order to ionize selectively the atoms of copper produced for experiments. After the optimization, a test of ionization of stable-copper was performed. This test has shown us that the laser system is able to successfully ionize atoms of copper.The studies of the region of the neutron-rich nuclei around N=50 are still to complete. The knowledge of this region is low what does not allow to close off the debates which they are the subject. 79,80,82,83,84,85Ga has been produced using photo-nuclear reactions at the experimental area of the on-line PARRNe mass-separator operating with the ALTO facility. The fission fragments are produced at the interaction of the 50 MeV electron beam delivered by the ALTO linear accelerator with a thick target of uranium in a standard UCx form. The oven is connected to a W ionizer heated up to 2000°C that selectively ionizes alkalies but also elements with low ionization potentials such as Ga. The ions are accelerated through 30 kV and magnetically mass-separated before being implanted on a mylar tape close to the detection setup, so that this system allows us to study β- and β- -n decays of 79,80,82,83,84,85Ga.The data analysis have produced new results concerning the decays of 80Ga, 84Ga and 84Ge. For 80Ga, the existence of an isomeric state has been confirmed and two different half-lives were measured for the ground state and the isomer. Furthermore, the analysis of 84Ga decay confirmed two states and allowed us to propose an other state in the decay of 84Ge. Finally, the comparison between experimental results and theoretical calculations has confirmed the assignment of spin-parity of the first states 2+ and 4+ but also the triaxial property of 84Ge that has been proposed previously. The second state 2+ of this isotope has also been identified. For the states of 84As, the assignment of spins and parities of four states have been proposed and interpreted in terms of configuration mixing.

L'étude des noyaux exotiques riches en neutrons est l'un des enjeux actuels majeurs de la physique nucléaire expérimentale. Le spectromètre S ³ , aujourd'hui en construction, pourrait permettre de les produire "en vol" grâce aux hautes intensités de l'accélérateur linéaire de Spiral2. Le mécanisme de réaction utilisé serait celui des collisions profondément inélastiques, pour ses caractéristiques telles que l'échange de nombreux nucléons et l'équilibre en N/Z des produits obtenus. Les recherches sur ce mécanisme, débutées dans les années 1970, bénéficient aujourd'hui des progrès technologiques, en particulier concernant les spectromètres de particules chargées. On a mesuré, pour la première fois sur une gamme de 0° à 35°, les sections efficaces de réactions d2sigma/dOmegadE pour différents noyaux riches en neutrons formés par collisions profondément inélastiques entre un faisceau de ⁴⁸Ca¹ ⁹ ⁺ à 10 A MeV et une cible de ² ³ ⁸U de 170(+-10%) ug/cm ². L'expérience a été réalisée au Ganil, avec le spectromètre Vamos couplé à sept clovers Exogam afin de confirmer l'identification des noyaux produits par leur signature gamma. De plus, un détecteur BaF₂ a permis la mesure de l'intensité du faisceau, essentielle au calcul des sections efficaces absolues. Les distributions angulaires, en énergie et en masse des sections efficaces double différentielles absolues sont présentées pour une large plage de quasi-projectiles. Les résultats sont comparés à ceux donnés par le couplage des modèles DIT (Deep Inelastic Transfers) et Gemini++. Les résultats obtenus montrent une production importante qui laisse envisager ce mécanisme pour la formation de noyaux riches en neutrons. Les modèles sont globalement cohérents avec les résultats et les différences majeures concernent généralement les quasi-projectiles très proches ou au contraire très éloignés du faisceau. Les implications pour la production de faisceau avec S³ sont également discutées. / The study of neutron-rich nuclei is one of the main challenges nowadays in experimental nuclear physics. Thanks to the future high intensity beams delivered by the linear accelerator of Spiral2, the S ³ spectrometer might allow their production using the "in-flight" method. The deep inelastic reaction mechanism might be used due to the important multi-nucleon transfer and the N/Z equilibration. Studies on this topic, started in the seventies, take advantages of the new available devices. We measured, for the first time between 0° and 35° in the laboratory frame, the reactions cross-sections d2sigma/dOmegadE for the neutron-rich nuclei formed by deep inelastic collisions between a 10 A MeV ⁴⁸Ca ¹ ⁹ ⁺ beam and a 170(+-10%) ug/cm² ² ³ ⁸U target. The experiment was performed at Ganil using the Vamos spectrometer coupled to seven Exogam to confirm the nuclei identification using their gamma signature. Moreover, a BaF2 detector was used to extract the beam intensities, essential for the absolute cross sections measurements. Momentum, angular and mass distributions of absolute differential cross-sections are presented for a wide range of quasi-projectiles. The results are compared with those of DIT (Deep Inelastic Transfers) coupled with Gemini++ theoretical calculations. The models are generally consistent with the results. Important differences appear for quasi-projectiles very close and very far from the beam. Relevant implications for S³ beam production are pointed out.

Les noyaux riches en neutrons de masse A=100-110 constituent une région de grand intérêt pour l'étude de la structure nucléaire loin de la stabilité. De précédentes études de cette région de masse ont déjà révélé la complexité de l'évolution de la collectivité et de la déformation dans les chaînes isotopiques de Zr, Mo, Ru et Pd. Afin d'étendre les données expérimentales sur la collectivité à des états de plus haut spin et à des noyaux plus riches en neutrons, des temps de vie d'états excités ont été mesurés dans des noyaux produits par une réaction de fusion-fission en cinématique inverse au GANIL. Les fragments de fission étaient séparés et identifiés en A et Z grâce au spectromètre magnétique de grande acceptance VAMOS tandis que le rayonnement gamma était détecté dans l'ensemble de détecteurs germanium EXOGAM. Environ vingt temps de vie d'états 2+, 4+ et 6+ ont été extraits à l'aide du plunger de Cologne. Cette expérience représente la première mesure RDDS dans des fragments de fission identifiés évènement par évènement à la fois en A et Z.Cette étude des noyaux de masse A=100-110 est complétée par des calculs auto-cohérents de champ moyen et au-delà avec la force de Gogny (D1S). La structure des états fondamentaux et excités est décrite dans le cadre du modèle de Hartree-Fock-Bogoliubov avec des contraintes sur les déformations axiale et triaxiale. Les excitations individuelles sont étudiées par des calculs bloqués et les états de haut spin sont décrits dans l'approximation du champ tournant. Enfin, la méthode de la coordonnée génératrice approchée par un hamiltonien collectif en cinq dimensions (5DCH) est appliquée aux états collectifs de basse énergie. Les résultats sont comparés aux mesures de la collectivité. / Neutron-rich nuclei of mass A=100-110 are of great interest for the study of nuclear structure far from stability. Previous experimental and theoretical studies suggest a complex evolution of deformation and collectivity in the isotopic chains of Zr, Mo, Ru and Pd.In order to extend information on the evolution of the collectivity towards higher spin states and more neutron-rich nuclei, lifetimes of excited states were measured in nuclei produced through a fusion-fission reaction in inverse kinematic at GANIL. Fission fragments were separated and identified in both A and Z with the high acceptance magnetic spectrometer VAMOS while the EXOGAM germanium detectors array was used for the coincident gamma-ray detection. Lifetimes of about twenty excited states were extracted using the plunger device of Cologne. This is the first RDDS measurement on fission fragments which are identified in A and Z on an event-by-event basis. The study of this mass region is completed by theoretical calculations using self consistent mean field and beyond mean field methods implemented with the Gogny force (D1S). The structure of the ground states and the excited states is described with Hartree-Fock-Bogoliubov calculations with constraints placed on the axial and triaxial deformations. Individual excitations are investigated through blocking calculations and the high spin states are studied through cranking calculations. Finally, an approximated generator coordinate method (GCM+GOA) using the 5DCH hamiltonian is used to describe the low energy collective states and to interpret the experimental evolution of the collectivity.