Isomer decay spectroscopy in the region of neutron-rich lead isotopes from relativistic 238U fragmentation.

La presente tesi di dottorato descrive la preparazione ed i risultati di un esperimento svoltosi presso il laboratorio del GSI, Darmstadt, Germania nel settembre 2009. Nella parte introduttiva si descrivono brevemente le principali linee della moderna ricerca sulla struttura nucleare. Particolare risalto viene dato alla tematica dello studio dei nuclei esotici, cioè lontani dalla valle di stabilità. Essi costituiscono uno dei più importanti obbiettivi di ricerca della fisica nucleare, poiché il loro studio metterà in evidenza aspetti dell'interazione nucleare altrimenti difficili da comprendere. Inoltre, ci si aspettano significativi cambiamenti della struttura del nucleo, come la scomparsa degli usuali numeri magici e l'apparizione di nuovi. Lo studio dei nuclei ricchi di neutroni è anche fondamentale per comprendere quantitativamente la nucleosintesi degli elementi pesanti nel processo rapido, che si pensa accada nelle supernovae. Lo studio dei nuclei esotici presenta tuttavia numerose difficoltà, legate sia alla loro produzione che alla loro misura. La regione dei nuclei di piombo ricchi di neutroni si è infatti rivelata particolarmente complicata da studiare poiché questi isotopi non possono essere popolati con reazioni di fusione-evaporazione o di trasferimento di nucleoni usando fasci stabili. Quindi devono essere sfruttati altri meccanismi di produzione, come le reazioni di frammentazione. Questo metodo ha però degli svantaggi, come le basse sezioni d'urto di produzione e la necessità di disporre di fasci di uranio ad alta energia (1 GeV A) al fine di agevolare la separazione in massa e in numero atomico. Conseguenza di ciò è il fatto che gli isotopi ricchi di neutroni nella zona del nucleo doppio magico 208Pb, siano stati assai meno studiati rispetto a regioni di massa inferiore, come per esempio quelle attorno ai nuclei doppio magici 132Sn e 78Ni. Pur tuttavia questi isotopi sono estremamente interessanti. Da un lato essi sono fondamentali per valutare l'evoluzione della struttura a shell nucleare allontanandosi dal 208Pb, cercando di capire se le chiusure di shell Z = 82 e N = 126 permangano tali. D'altra parte la misura della vita media per decadimento beta di questi nuclei è di vitale importanza per parametrizzare meglio i modelli dai quali poi si devono estrapolare le vite medie degli isotopi direttamente coinvolti nel processo rapido di nucleosintesi stellare. I nuclei esotici vicini al piombo sono stati prodotti mediante frammentazione di un fascio di uranio relativistico ad una energia di 1 GeV A. L'energia e la corrente di fascio disponibili, circa 10^9 particelle per secondo, hanno permesso di affrontare i problemi appena menzionati riguardanti la separazione in massa e di avere una produzione sufficiente dei nuclei di interesse, nonostante le basse sezioni d'urto. I prodotti di reazione sono stati separati con lo spettrometro di massa FRS, che permette di selezionare i canali di interesse e identificare gli ioni prodotti in massa e in numero atomico, evento per evento. I frammenti così identificati sono quindi stati rallentati in un degrader e poi impiantati in un rivelatore a strip di silicio, che permette di misurare tempo e posizione dell'impianto. Questo rivelatore permette inoltre di studiare il decadimento beta degli isotopi in esso fermati, misurando gli elettroni prodotti. Questo rivelatore è circondato da un apparato ad alta efficienza per la misura di fotoni , RISING, composto da 105 cristalli di germanio. Il compito di RISING è quello di misurare energia e tempo dei raggi gamma emessi nel decadimento degli isomeri o nel decadimento beta degli ioni impiantati. Utilizzando gli apparati descritti, si sono studiati gli isomeri negli isotopi pari-pari del piombo 212;214;216Pb. Il loro spettro di eccitazione, studiato per la prima volta, segue molto bene lo schema di seniorità previsto in questi casi. La misura delle vite medie degli isomeri ha inoltre permesso di ricavare gli elementi di matrice di transizione elettromagnetica. Essi rappresentano una sonda molto accurata della funzione d'onda nucleare e quindi la loro comparazione con le stime teoriche consente di stabilire se i modelli nucleari impiegati sono veramente in grado di riprodurre la struttura del nucleo. Le discrepanze che si sono osservate rispetto calcoli di modello a shell (effettuati con hamiltoniani realistici e i più moderni codici di calcolo), richiederebbero l'introduzione di cariche efficaci dipendenti dallo stato per essere risolte. Si è dimostrato che questo è dovuto al fatto che le forze efficaci a tre corpi sono state trascurate. Queste forze, che compaiono ogniqualvolta un hamiltoniano è adattato ad uno spazio di valenza, sono quasi sempre ignorate perché si ritiene producano effetti molto piccoli. In questa tesi si dimostra invece che questa approssimazione può portare a importanti variazioni nei risultati finali dei calcoli. Sono stati osservati isomeri anche negli isotopi 217Bi, 213Pb, 211;213Tl e 208;210Hg. Attribuire spin e parità ai livelli nel 217Bi e nel 208Hg si è rivelato semplice, mentre neglialtri nuclei è stato più difficile. In conclusione, la tesi riporta risultati su diversi nuovi isomeri nei nuclei ricchi di neutroni vicino al piombo. Si sono anche messe in luce le difficoltà tecniche legate all'esperimento e gli accorgimenti adottati per risolverle. I casi fisici trovati appaiono molto interessanti, poiché mettono in evidenza aspetti prima ignorati della struttura nucleare. Le future indagini che saranno possibili con gli acceleratori e gli apparati oggi in costruzione forniranno molte più informazioni su queste tematiche