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The masses of nobelium and lawrencium isotopes, the mass difference between 180W and 180Hf, and a characterization of the future cryogenic stopping cell of the online mass spectrometer SHIPTRAP

  • This work describes the recent scientific and technical achievements obtained at the high-precision Penning trap mass spectrometer SHIPTRAP. The scientific focus of the SHIPTRAP experiment are mass measurements of short-lived nuclides with proton number larger than 100. The masses of these isotopes are usually determined via extrapolations, systematic trends, predictions based on theoretical models or alpha-decay spectroscopy. In several experiments the masses of the isotopes 252-255No and 255,256Lr have been measured directly. With the obtained results the region of enhanced nuclear stability at the deformed shell closure at the neutron number 152 was investigated. Furthermore, the masses have been used to benchmark theoretical mass models. The measured masses were compared selected mass models which revealed differences between few keV/c² up to several MeV/c² depending on the investigated nuclide and model. In order to perform mass measurements on superheavy nuclei with lower production rates, the efficiency of the SHIPTRAP setup needs to be increased. Currently, the efficiency is 2% and mainly limited by the stopping- and extraction efficiency of the buffer gas cell. The stopping and extraction efficiency of the current buffer gas cell is 12%. To this end, a modified version of the buffer gas cell was developed and characterized with 223Ra ion source. Besides a larger stopping volume and a coaxial injection the new buffer gas cell is operated at a temperature of 40K. The operation at cryogenic temperatures increases the cleanliness of the buffer gas. From extraction measurements and simulations an overall efficiency of 62(3)% was determined which results in an increase by a factor of 5 in comparison to the current buffer gas cell. Aside from high-precision mass measurements of heavy radionuclides the mass differences of metastable isobars was measured to identify candidates for the neutrinoless double-electron capture. Neutrinoless double-electron capture can only occur if the neutrino is its own antiparticle and a physics beyond the standard model exists since the neutrinoless double-electron capture violates the conservation of the lepton number. Due to its expected long half-life this decay has not yet been observed. However, the decay rate is resonantly enhanced if mother and daughter nuclide are degenerate in energy. Suitable candidates for the search of the neutrinoless double-electron capture have been identified with mass difference measurements uncertainties of about 100eV/c². In this work the results of the mass difference measurements of 12 possible candidates are presented.
  • Diese Arbeit beschreibt die aktuellen wissenschaftlichen Entdeckungen und technische Entwicklungen, welche an dem Hochpräzisionspenningfallenmassenspektrometer SHIPTRAP erzielt wurden. Der wissenschaftliche Fokus des SHIPTRAP Experimentes liegt auf der Massenmessung von kurzlebigen Isotopen mit Protonenzahlen größer als 100. Die Massen der Isotope in diesen Regionen werden üblicherweise anhand von Extrapolationen systematischer Trends, Vorhersagen mittels theoretischer Kernmodelle oder durch Zerfallsspektroskopie von Alphazerfallsketten bestimmt. In verschiedenen Experimenten wurden die Massen der Isotope 252-255No und 255,256Lr erstmal direkt bestimmt. Anhand der gewonnenen Daten konnte die Existenz einer Region mit erhöhter Schalenstabilität in der Umgebung des deformierten Schalenabschlusses bei der Neutronenzahl 152 bestätigt werden. Des Weiteren stellen die erzielten Daten wichtige Testparameter für theoretische Massenmodelle dar. Die gemessenen Massen wurden mit prognostizierten Werten ausgewählter Massenmodelle verglichen, wobei Abweichungen von wenigen keV/c² bis zu mehreren MeV/c² abhängig vom untersuchten Isotop und Massenmodell beobachtet wurden. Um Massenmessungen an superschweren Elementen mit geringeren Produktionsraten durchzuführen, ist eine Steigerung der Gesamteffizienz des SHIPTRAP Aufbaus nötig. Die Gesamteffizienz beträgt momentan circa 2% und ist hauptsächlich limitiert durch die Stopp- und Extraktionseffizienz der Puffergaszelle. Diese wird eingesetzt, um die kinetische Energie der Fusionsreaktionsprodukte derart zu verringern, dass diese in den Penningfallen von SHIPTRAP gespeichert werden können. Die Stopp- und Extraktionseffizienz der bisherigen Puffergaszelle beträgt 12%. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine weiterentwickelte Version der Puffergaszelle aufgebaut und in Experimenten mit einer 223Ra-Ionenquelle analysiert. Neben einem größeren Stoppvolumen und einem Einschuss entlang der Extraktionsachse wird die neu entwickelte Puffergaszelle bei einer Temperatur von 40K betrieben. Durch den Betrieb bei kryogenen Bedingungen erhöht sich die Reinheit des Puffergases. Anhand von Extraktionsmessungen und Simulation en wurde eine Stopp- und Extraktionseffizienz von 62(3)% erzielt, was im Vergleich zu der bisher verwendeten Puffergaszelle einer Effizienzsteigerung von einem Faktor 5 entspricht. Neben der direkten Massenmessung von schweren Radionukliden wurden zahlreiche Massendifferenzmessungen an metastabilen Isobaren durchgeführt, um geeignete Kandidaten für den neutrinolosen doppelten Elektroneneinfang zu identifizieren. Der neutrinolose doppelte Elektroneneinfang ist von großem wissenschaftlichen Interesse, da er nur auftreten kann, falls das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist und aufgrund der implizierten Verletzung des Leptonenzahlerhaltungssatzes eine Physik jenseits des Standardmodells existiert. Aufgrund einer erwarteten langen Halbwertszeit konnte dieser Zerfall bislang nicht beobachtet werden. Jedoch ist die Zerfallsrate theoretischen Voraussagen zufolge resonant erhöht, sollten Mutter- und Tochternuklid energetisch entartet sein. Anhand von Massendifferenzmessungen mit einer Genauigkeit von ungefähr 100eV/c² können geeignete Kandidaten für den neutrinolosen doppelten Elektroneneinfang identifiziert werden. In dieser Arbeit werden die Resultate der Massendifferenzmessungen von 12 möglichen Kandidaten präsentiert.

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Metadaten
Author: Christian Droese
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002149-3
Title Additional (German):Die Massen von Lawrencium und Nobelium Isotopen, die Massendifferenz zwischen 180W und 180Hf, und eine Charakterisierung der zukünftigen kryogenen Gasstoppzelle des online Massenspektrometers SHIPTRAP
Advisor:Prof. Dr. Georg Bollen, Prof. Dr. Lutz Schweikhard
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2015/02/16
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/01/29
Release Date:2015/02/16
Tag:Gaszelle, Penningfalle
Gas Cell, Mass spectrometry, Neutrino, Nuclear Physics, Penning trap
GND Keyword:Kernphysik, Massenspektrometrie, Neutrino
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:00.00.00 GENERAL / 07.00.00 Instruments, apparatus, and components common to several branches of physics and astronomy (see also each subdiscipline for specialized instrumentation and techniques) / 07.20.-n Thermal instruments and apparatus / 07.20.Mc Cryogenics; refrigerators, low-temperature detectors, and other low-temperature equipment
00.00.00 GENERAL / 07.00.00 Instruments, apparatus, and components common to several branches of physics and astronomy (see also each subdiscipline for specialized instrumentation and techniques) / 07.75.+h Mass spectrometers (see also 82.80.Ms, 82.80.Nj, and 82.80.Rt in physical chemistry and chemical physics)
10.00.00 THE PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS (for experimental methods and instrumentation for elementary-particle physics, see section 29) / 14.00.00 Properties of specific particles / 14.60.-z Leptons / 14.60.St Non-standard-model neutrinos, right-handed neutrinos, etc.
20.00.00 NUCLEAR PHYSICS / 21.00.00 Nuclear structure (for nucleon structure, see 14.20.Dh Properties of protons and neutrons; 13.40.-f for electromagnetic processes and properties; 13.60.Hb for deep-inelastic structure functions) / 21.10.-k Properties of nuclei; nuclear energy levels (for properties of specific nuclei listed by mass ranges, see section 27) / 21.10.Dr Binding energies and masses
80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 82.00.00 Physical chemistry and chemical physics; Electronic structure theory of atoms and molecules, see 31.15.-p; Electronic structure theory of condensed matter, see section 71; Electronic structure theory for biomolecules, see 87.10.-e; Electronic structure of / 82.80.-d Chemical analysis and related physical methods of analysis (for related instrumentation, see section 07; for spectroscopic techniques in biological physics, see 87.64.-t) / 82.80.Ms Mass spectrometry (including SIMS, multiphoton ionization and resonance ionization mass spectrometry, MALDI)