Open Access

Lukas Nies

• Research into nuclear physics has enjoyed a long and rich history since the earliest experiments began investigating atomic constituents. The discovery of the atomic nucleus in the early 20th century started a complex field of research that has undergone many transformations with the advancements of modern technology. Today, atomic nuclei are not only studied to advance our understanding of the strong force but also to gain more information on the synthesis of elements in the universe, to exploit nuclear decay to investigate the weak interaction, and to search for physics beyond the standard model. In this work, we will study the strong force in atomic nuclei, i.e. the way nucleons (protons and neutrons) arrange themselves in a many-body system governed by the repulsive Coulomb interaction and the attractive strong interaction. In particular, we will focus on nuclear structure near nuclei with a "magic number" of Z protons and N neutrons, so-called doubly-magic nuclei, exhibiting a particularly stable configuration with respect to neighboring nuclei. Within the nuclear shell model, similar to the atomic shells, the magic numbers indicate shell closures accompanied by energy gaps. Nuclei at double-shell closures and their direct vicinity provide an important playground to benchmark nuclear theories and models that aim to predict the intricate interplay of the nucleons that lead to enhanced nuclear binding energies, significant changes in charge radii and transition strengths, etc. Of particular interest are nuclear isomers, long-lived excited states, in which the nucleon configuration with respect to its ground state is altered, resulting in a modification of their properties despite having the same number of protons and neutrons. The main part of this work consists of three publications, which report on nuclear structure investigations through mass measurements and laser spectroscopy near the doubly magic nuclei nickel-78, tin-100, and lead-208. The nuclides investigated in this work include neutron-deficient indium isotopes, neutron-rich zinc isotopes, and neutron-rich mercury isotopes.
• Die Forschung im Bereich der Kernphysik blickt auf eine lange und reiche Geschichte zurück, die mit Experimenten zur Erforschung atomaren Bestandteile begann. Mit der Entdeckung des Atomkerns zu Beginn des 20. Jahrhunderts startete ein komplexes Forschungsgebiet, welches sich mit Fortschritten in Technik und Entwicklung stark gewandelt hat. Heutzutage werden Atomkerne nicht nur untersucht, um unser Verständnis der starken Wechselwirkung zu vertiefen, sondern auch, um Erkenntnisse über die Elementsynthese im Universum zu erhalten, zur Untersuchung der schwachen Wechselwirkung und zur Suche nach unbekannter Physik jenseits des Standardmodells. In dieser Arbeit wird die starke Wechselwirkung in Atomkernen untersuchen, d. h. die Art und Weise, wie sich Nukleonen (Protonen und Neutronen) in einem Vielteilchensystem anordnen, das von der abstoßenden Coulomb-Wechselwirkung und der anziehenden starken Wechselwirkung bestimmt wird. Insbesondere wird die Kernstruktur von Atomkernen undersucht, die sich in der Nähe von Kernen mit einer "magischen Zahl" von Z Protonen und N Neutronen befinden. Letztere sind so genannte doppelt magische Kerne, die eine besonders stabile Konfiguration in Bezug auf benachbarte Kerne aufweisen. Im Schalenmodell der Atomkerne zeigen die magischen Zahlen - ähnlich wie bei den Atomschalen - Schalenabschlüsse an, die mit Energielücken einhergehen. Kerne mit Doppelschalenabschlüssen und ihre unmittelbare Umgebung bieten eine wichtige Gelegenheit für den Vergleich von Kerntheorien und -modellen, mit denen das komplizierte Zusammenspiel der Nukleonen berechnet werden kann, welches, untere anderem, zu erhöhten Kernbindungsenergien, signifikanten Änderungen der Kernladungsradien und Zerfallsstärken führt. Von besonderem Interesse sind Kernisomere, langlebige angeregte Zustände, bei denen die Nukleonenkonfiguration im Vergleich zum Grundzustand leicht verändert ist, was trotz gleicher Anzahl von Protonen und Neutronen zu einer Änderung der Kerneigenschaften führt. Der Hauptteil dieser Dissertation besteht aus drei Veröffentlichungen, die von Kernstrukturuntersuchungen durch Massenmessungen und Laserspektroskopie in der Nähe der doppelt magischen Kerne Nickel-78, Zinn-100 und Blei-208 handeln. Zu den in dieser Arbeit untersuchten Nukliden gehören neutronenarme Indiumisotope, neutronenreiche Zinkisotope und neutronenreiche Quecksilberisotope.