Nuclear Structure Far from Stability: New Physics and New Technology 2008 (International School of Physics)

591 Pages·2008·15.69 MB·English

by  A. Covello, F. Iachello, R. A. Ricci, G. Maino

Nuclear Structure far from
Stability: New Physics and
New Technology,
Course CLXIX
A. COVELLO et al.,
Editors
IOS Press
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SOCIETA` ITALIANA DI FISICA
RENDICONTI
DELLA
SCUOLA INTERNAZIONALE DI FISICA
“ENRICO FERMI”
CLXIX Corso
a cura di A. Covello, F. Iachello e R. A. Ricci
Direttori del Corso
e di
G. Maino
VARENNA SUL LAGO DI COMO
VILLA MONASTERO
17 – 27 Luglio 2007
Struttura dei nuclei lontano
dalla valle di stabilita`: nuova
fisica e nuova tecnologia
2008
SOCIETA` ITALIANA DI FISICA
BOLOGNA-ITALY
ITALIAN PHYSICAL SOCIETY
PROCEEDINGS
OF THE
INTERNATIONAL SCHOOL OF PHYSICS
“ENRICO FERMI”
Course CLXIX
edited by A. Covello, F. Iachello and R. A. Ricci
Directors of the Course
and
G. Maino
VARENNA ON LAKE COMO
VILLA MONASTERO
17 – 27 July 2007
Nuclear Structure far from
Stability: New Physics and
New Technology
2008
AMSTERDAM, OXFORD, TOKIO, WASHINGTON DC
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INDICE
A. Covello and F. Iachello – Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pag.XVII
R. A. Ricci – Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIX
Gruppo fotografico dei partecipanti al Corso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XX
F. Iachello – Intellectual challenges at radioactive beam facilities . . . . . . . 1
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Dynamic symmetries and supersymmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3. Shape phase transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4. Critical symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
W. Greiner and V. Zagrebaev – Superheavy and giant nuclear systems 13
Dedication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2. Nuclear shells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3. Adiabatic dynamics of heavy nuclear system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4. Deep inelastic scattering of heavy nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5. Low-energy collisions of transactinide nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
R. A. Ricci – Phenomenological nuclear spectroscopy (a personal recollec-
tion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Introduction: Nuclear spectroscopy: an old story . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1. The γ-scintillation era . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2. Nuclear spectroscopy with direct reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3. Selection of nuclear states. In beam γ-ray spectroscopy. The advent of
heavy-ion nuclear reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4. The evolution of the nuclear-structure problem. The case of 1f7/2 spec-
troscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
.
4 1. The revival of 1f7/2 spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
VII
VIII indice
T. Aumann – Experimental program with rare-isotope beams at FAIR. . . . pag. 57
1. Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2. The radioactive beam facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3. Experiments with slowed-down and stopped beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
.
3 1. The low-energy branch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
.
3 2. High-resolution in-flight spectroscopy (HISPEC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
.
3 3. Decay spectroscopy (DESPEC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
.
3 4. The advanced trapping system MATS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
.
3 5. The Laser-spectroscopy experiment LASPEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4. Scattering experiments with high-energy rare-ion beams . . . . . . . . . . . . . . . 66
. 3
4 1. Reactions with Relativistic Radioactive Beams (R B) . . . . . . . . . . . . 66
.
4 2. Collective multipole response of proton-neutron asymmetric nuclei . . 69
5. Experiments with stored and cooled beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
.
5 1. Isomeric Beams, Lifetimes, and Masses (ILIMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
.
5 2. Reactions at internal targets in the NESR (EXL) . . . . . . . . . . . . . . . . 71
.
5 3. Electron scattering with short-lived nuclei (ELISe) . . . . . . . . . . . . . . . 74
.
5 4. The Antiproton-Ion-Collider AIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
S. Gales – SPIRAL2 at GANIL: A world leading ISOL facility for the next
decade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2. Description of the project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3. Performances of the SPIRAL2 facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
.
3 1. Intense stable beams from LINAG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
.
3 2. The radioactive ion production system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4. Selected examples of the scientific opportunities at SPIRAL2 . . . . . . . . . . . 87
5. Construction of the facility and International Collaborations . . . . . . . . . . . . 89
6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
K. Riisager – The ISOLDE facility and HIE-ISOLDE . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2. Production of radioactive beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
.
2 1. REX-ISOLDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3. Physics with low-energy beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
.
3 1. Nuclear masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
.
3 2. Nuclear moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
.
3 3. Beta decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
.
3 4. Nuclear astrophysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4. Physics with accelerated beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
.
4 1. Miniball experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
.
4 2. Transfer experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5. The HIE-ISOLDE project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
indice IX
T. Motobayashi – RIKEN RI Beam Factory and its research opportunities pag. 101
1. Nuclei far from the stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2. Fast RI beam and new experimental methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3. RI Beam Factory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
.
3 1. Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
.
3 2. Status of RIBF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
.
3 3. New experimental installations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Steven C. Pieper – Quantum Monte Carlo calculations of light nuclei . . . 111
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2. Hamiltonians . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
.
2 1. Argonne vij . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
.
2 2. Illinois Vijk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
.
2 3. What makes nuclear structure? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3. Quantum Monte Carlo methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4. Variational Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
.
4 1. The one-body part of ΨT , Φ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
.
4 2. Representing ΨT in the computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
.
4 3. A variational Monte Carlo calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
.
4 4. Accuracy of VMC energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5. Green’s function Monte Carlo—General description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
.
5 1. The short-time propagator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
.
5 2. Problems with nuclear GFMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
.
5 2.1. Limitation on H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
.
5 2.2. Fermion sign problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
.
5 2.3. Mixed estimates extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
.
5 3. A simplified GFMC calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
.
5 4. Examples of GFMC propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6. Results for energies of nuclear states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
. 10 10
6 1. Ordering of states in Be and B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
.
6 2. Charge dependence and isospin mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
.
6 3. Can modern nuclear Hamiltonians tolerate a bound tetraneutron? . . 135
7. GFMC for scattering states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8. Coordinate- and momentum-space densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
.
8 1. RMS radii and one-body densities of helium isotopes . . . . . . . . . . . . . 139
.
8 2. Is an alpha-particle in a sea of neutrons still an alpha-particle? . . . . . 141
. ′
8 3. Two-nucleon knockout—(e, e pN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
P. Navra´til – Ab initio no-core shell model calculations for light nuclei . . 147
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2. Ab initio no-core shell model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
.
2 1. Hamiltonian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
.
2 2. Basis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
.
2 3. Effective interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153