Nuclear structure of the semi-magic tin isotopes close to 100Sn: lifetime measurements of low-lying states in 106Sn and 108Sn

The structure of nuclei with few nucleons outside the double-shell closure Z=N =50 has attracted large theoretical and experimental interest in the last years. Several studies were performed in this region to examine the evolution of the nucleon-nucleon interaction when going towards 100Sn and eventually deduce the proton shell closure. Along the whole isotopic chain the excitation energy of the first 2+ and 4+ states is well known and the behaviour is rather constant. Then, for neutron-rich Sn isotopes the reduced transition probability seems to follow the parabolic behavior with the maximum at the mid shell, which is the typical trend that one would expect for one-body even operator, such as the B(E2). However, the information on the B(E2; 2+→0+) values for the neutron-deficient Sn isotopes suffer from large experimental uncertainties. Moreover there is a lack of information on the B(E2; 4+→2+), while their values would help to make a more robust physical interpretation. Since now theoretical calculations have been performed during the last decades, but up to date none of them is able to reproduce consistently the trend of the experimental reduced transition probabilities for the full Sn isotopic chain. The experiment discussed in this thesis was devoted to the measurement of the lifetimes of the low-lying states 2+ and 4+ for 106,108Sn, in order to derive the reduced transition probabilities B(E2), by using the Recoil Distance Doppler-Shift (RDDS) method. The nuclei of interest were populated via multi nucleon transfer reaction where a 106Cd beam, provided by one separated-sector cyclotron of the GANIL facility (France) at the energy of 770 MeV, impinged onto a 92Mo target. After the target a 24Mg foil was used as degrader for slowing down the reaction products. This measurement is complementary to the Coulomb excitation method and it represents the very first direct lifetime measurement in the neutron-deficient Sn isotopes. The complete identification of the reaction products was obtained on an event-by-event basis using the VAMOS++ magnetic spectrometer. In coincidence with VAMOS++, gamma rays were detected by 8 AGATA Triple Clusters. Thanks to the combination of the magnetic spectrometer together with the choice of the reaction mechanism, it was also possible to reconstruct the Q-value of the reaction. Such information was crucial for the success of the lifetime measurement because it allowed to control the feeding from higher-lying states. Finally it was possible to measure the lifetimes of the 2+ and 4+ excited states for 106,108 Sn. In order to reduce the error, for 108Sn several tests on both Decay-Curve Method (DCM) and Differential Decay-Curve Method (DDCM) are discussed. The reduced transition probabilities B(E2), deduced from the measured lifetimes, were compared with Large-Scale Shell-Model (LSSM) calculations. Such basic nuclear feature have proved to be incredibly sensible to the form of the wave function: in particular the new B(E2; 4+→2+) value of 108Sn clearly showed that high seniority components of the wave function are of extreme importance to define the transition probabilities in this region. This result questions the validity of other theoretical predictions, which have been considering the seniority truncation, in reproducing consistently the trend of the experimental B(E2) values.

Negli ultimi anni la struttura dei nuclei con pochi nucleoni oltre la doppia chiusura di shell Z=N=50 è stato argomento di discussione sia dal punto teorico che sperimentale. Infatti molti studi sono stati fatti in questa regione per esaminare l'evoluzione dell'interazione nucleone-nucleone in prossimità del nucleo doppio magico 100Sn. Lungo la catena isotopica dello stagno, l'energia d'eccitazione degli primi stati 2+ e 4+ è ben nota e l'andamento è pressoché costante. Per quanto riguarda la probabilità di transizione ridotta, invece, per gli isotopi dello stagno ricchi di neutroni tale valore sembra seguire il tipico andamento parabolico con il massimo a metà della shell; tuttavia, per i nuclei poveri di neutroni le informazioni su B(E2; 2+→0+) sono affetti da grandi incertezze sperimentali. In aggiunta, per i nuclei di questa regione la mancanza di informazioni relative a B(E2; 4+→2+) rende difficile ottenere una robusta interpretazione teorica. Infatti, negli ultimi decenni diversi calcoli teorici sono stati fatti ma finora nessuna di queste predizioni è in grado di riprodurre in maniera consistente l'andamento dei risultati sperimentali lungo tutta la catena isotopica. L'esperimento discusso in questa tesi era finalizzato alla misura della vita media degli stati 2+ e 4+ per i nuclei 106,108Sn con il metodo Recoil-Distance Doppler-Shift (RDDS), per poi derivarne la probabiltà di transizione ridotta. I nuclei di interesse sono stati popolati per mezzo di una reazione di trasferimento di multi-nucleoni: un fascio di 106Cd, fornito dal ciclotrone dei laboratori di GANIL (Francia) all'energia di 770 MeV, ha inciso su un bersaglio di 92Mo. Dopo tale target è stato posto un foglio di 24Mg con lo scopo di rallentare i prodotti della reazione. Questa misura è complementare ai precedenti esperimenti di eccitazione coulombiana e rappresenta la prima vera misura diretta di vita media per gli isotopi dello stagno poveri di neutroni. La completa identificazione dei prodotti di reazione è stata ottenuta grazie all'uso dello spettrometro magnetico VAMOS++, mentre la rivelazione dei raggi gamma è avvenuta per mezzo dello spettrometro AGATA. Grazie alla combinazione dello spettrometro magnetico con il particolare meccanismo di reazione, è stato possibile ricostruire il Q-valore della reazione: tale informazione è cruciale per il successo della misura in quanto permette di controllare il popolamento diretto degli stati eccitati. Concludendo, è stato possibile misurare la vita media degli stati 2+ e 4+ per 106,108Sn. Con lo scopo di ridurre il più possibile l'errore della misura, per il nucleo 108Sn diversi test sono stati fatti sia con il Decay-Curve Method (DCM) che con il Differential Decay-Curve Method (DDCM). Le probabilità di transizione ridotte B(E2), ottenute a partire dalle nuove vite medie, sono state confrontate con calcoli di Large-Scale Shell-Model (LSSM). Da questo confronto è risultato che tali proprietà nucleari sono molto sensibili alla forma della funzione d'onda: in particolare il nuovo valore B(E2; 4+→2+) del 108Sn mostra l'estrema importanza di includere termini di grande seniorità nella funzione d'onda per poter riprodurre le probabilità di transizione ridotta in questa regione. Questo risultato mette in dubbio la validità delle precedenti predizioni teoriche, le quali limitavano i valori della seniorità nel riprodurre l'andamento dei valori sperimentali di B(E2).