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Andreas Zilges Institut für Kernphysik Universität zu Köln E1 excitations in atomic nuclei: From Giants, Pygmies and Octupoles

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The combination of photon and alpha scatteringin the study of the Pygmy Dipole Resonance

Andreas ZilgesInstitut für KernphysikUniversität zu Köln

E1 excitations in atomic nuclei:From Giants, Pygmies and Octupoles

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MAGNETIC and ELECTRIC dipole excitations

p n

Isovector ElectricGiant Dipole Resonance

(W. Bothe and W. Gentner, 1937)

Isovector MagneticScissors Mode

(A. Richter, 1984)

Proton-Neutron Symmetry Breaking

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Electric dipole response in Ca isotopes

T. Hartmann et al., Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 274

Z=20, N=20

Z=20, N=2848Ca

40Ca

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Half life: M1 vs. E1 at Ex = 3 MeV

Typical strengths for dipole excitations at 3 MeV:

life-half fs 5 meV 1001)1( 2 ≈≈↑≈ NMB µ

life-half fs 5 meV 10010)1( 222 ≈≈↑≈ − fmeEB

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E1 excitations in atomic nuclei:From Giants, Pygmies and Octupoles

• Overview

• Studies of the Pygmy Dipole Resonance

- completeness of (γ,γ‘) measurements- systematics- structure

• Octupole Modes

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Energy/MeV

Stre

ngth

5 10 15

The E1 response of spherical atomic nuclei

• Two Phonon Excitation: Ex ~ 3 MeV, B(E1) ~ 10-2 W.u.• Giant Dipole Resonance: Ex ~ 18 MeV, B(E1) ~ 10 W.u.• Pygmy Dipole Resonance: Ex ~ 7 MeV, B(E1) ~ 10-1 W.u.

?

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Energy/MeV

Stre

ngth

5 10 15

The E1 response of deformed atomic nuclei

• Octupole vibrational bandheads: Ex ~ 2 MeV, B(E1) ~ 10-2 W.u.

• Splitted Giant Dipole Resonance:Ex ~ 13 MeV and 18 MeV, B(E1) ~ 10 W.u.

?np

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E1 response in spherical nuclei studiedin photon scattering experiments

by courtesy of D. Savran

60Ni

94Mo

208Pb

136Xe

44Ca

120Sn

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nosensitivity

E1 distribution in the N=82 isotones from (γ,γ‘)

A. Zilges et al., PLB 542 (2002) 43S. Volz et al., NPA 779 (2006) 1

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Open questions on the Pygmy Dipole Resonance

• How complete are photon scattering experiments?

• Does the PDR show a N/Z dependence?

• What is the underlying excitation structure?

• What is the connection to the PDR in exotic nuclei?

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136Xe: Experimental fragmentation

B(E1) strength of a single transition [10-3e2fm2]

ΣB(E

1)

[10-

3 e2 f

m2 ]

D. Savran et al., PRL 100 (2008) 232501

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Fragmentation in the Quasiparticle Phonon Model

• B(E1) nearly completely carried by 1ph part

• Coupling to complex configuration produces fragmentation

• 1ph, 2ph, 3ph up to 8.5 MeV

⇒ Model space nearly complete up to 8.5 MeV

V. Yu. Ponomarev

136Xe

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N=82 isotones: Experiment vs. QPM

S. Volz et al., Nucl. Phys. A779 (2006) 1 V. Yu. Ponomarev

Experiment Theory

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136Xe: Experiment vs. QPM

D. Savran et al., PRL 100 (2008) 232501

(with experimentalsensitvity limit)

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B(E1) strength of a single transition [10-3e2fm2]

ΣB(E

1)

[10-

3 e2 f

m2 ]

136Xe: Experimental fragmentation

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136Xe: Experiment vs. QPM

B(E1) strength of a single transition [10-3e2fm2]

ΣB(E

1)

[10-

3 e2 f

m2 ]

D. Savran et al., PRL 100 (2008) 232501

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Increasing fragmentation from 136Xe to 144Sm in experiment and QPMImpact of experimental sensitivity limit more important with increasing proton numberMissing strengths can varyfrom a few percent to a factor of three

D. Savran et al., PRL 100 (2008) 232501

How complete are photon scattering experiments ?

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Open questions concerning the PDR

• How complete are photon scattering experiments?

Depending on the nucleus 10% to 300% ofthe total strength are missing.

• Does the PDR show a N/Z dependence?

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Summed E1 strength vs. N/Z ratio

p/n

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Summed E1 strength vs. N/Z ratio

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Open questions concerning the PDR

• How complete are photon scattering experiments?

Depending on the nucleus 10% to 250% ofthe total strength are missing.

• Does the PDR show a N/Z dependence?

No direct evidence.

• What is the underlying excitation structure?

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(γ,γ’)

K. Govaert et al., Phys. Rev. C 57 (1998) 2229N. Ryezayeva et al., Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 272502A. Zilges et al., Phys. Lett. B 542 (2002) 43P. Adrich et al., Phys. Rev. Lett 95 (2005) 132501A. Tonchev et al., NIM B 241 (2005) 170S. Volz et al., Nucl. Phys. A779 (2006) 1

G. Rusev et al., Phys. Rev. C 73 (2006) 044308U. Kneissl et al., JPG 32 (2006) R217D. Savran et al., Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 172502 D. Savran et al., Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 232501R. Schwengner et al., Phys. Rev. C 89 (2008) 064314N. Benouaret et al., Phys. Rev C 79 (2009) 014303O. Wieland et al., Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 092502

Exhaustion of isovector E1 sum rule

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J. Chambers, E. Zaremba, J.P. Adams, B. Castel, Phys. Rev. C 50 (1994) R2671N. Ryezayeva et al., Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 272502D. Sarchi, P.F. Bortignon, G. Colò, Phys. Lett. B 601 (2004) 27S. Goriely, E. Khan, M. Samyn, Nucl. Phys. A739 (2004) 331N. Paar, T. Niksic, D. Vretenar, P. Ring, Phys. Lett. B 606 (2005) 288J. Terasaki, J. Engel, Phys. Rev. C 76 (2007) 044320J. Liang, L. Cao, Z. Ma, Phys. Rev. C 75 (2007) 054320V. Tselyaev, J. Speth et al., Phys. Rev. C 75 (2007) 014315G. Tertychny, V. Tselyaev, S. Kamerdzhiev et al., Phys. Lett. B 647 (2007) 104N. Paar, D. Vretenar, E. Khan, G. Colò, Rep. Prog. Phys. 70 (2007) 691N. Tsoneva, H. Lenske, Phys. Rev. C 77 (2008) 024321N. Paar, Y.F. Niu, D. Vretenar, and J. Meng, PRL 103 (2009) 032502

What is the underlying excitation structure?

p/n

neutronskin

torroidal modes

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B(E1) strength distribution

94Mo(γ,γ‘)

124Sn(γ,γ‘)

138Ba(γ,γ‘)

140Ce(γ,γ‘)N=82

N=82

Z=50

Z=42, N=52

Energy [keV]

B(E1

)[1

0-3 e

2 fm2 ]

J. Endres, to be published

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A splitting of the PDR ?

Energy [keV]

B(E1

)[1

0-3 e

2 fm2 ]

F. Iachello, priv. comm.

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A complementary probe: α scattering

• Isoscalar probe Complementary structure information

• Problem:- 30-100 keV energy resolution

Single excitations not resolved

- Excitation of higher multipolarities

Difficult separation from other excitations

No detailed spectroscopy ofPDR possible with (α,α‘)

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The solution: (α,α‘γ) experiments

• Coincident measurement of γ-decay (α,α‘γ)

• Selection of decays to the ground state Selectivity to E1 decays

T.D. Poelhekken et al., Phys. Lett. B 278 (1992) 423

• Use of HPGe detectors High energy resolution

D. Savran et al., Nucl. Instr. and Meth. A 564 (2006) 267

• Experimental parameters: Eα = 136 MeV and forward angle

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Realization at the BBS/EUROSUPERNOVA setup

2 Super-Clover detectors (GSI)2 Clover detectors (KVI)3 Coaxial detectors with BGO2 Coaxial detectors(about 100% rel. efficiency each) 0.5% absolute photo-peak efficiency

D. Savran et al., Nucl. Inst. and Meth. Phys. Res. A 564 (2006) 267

α-beam

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BBSα-beam

50 cm

Realization at the BBS/EUROSUPERNOVA setup

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Realization at the BBS/EUROSUPERNOVA setup

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The α−γ coincidence matrix for 140Ce

D. Savran et al., Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 172502 J. Endres et al., Phys. Rev. C 80 (2009) 034302

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Angular distribution

θγ = 202°

θγ = 264°

W(θ

γ)W

(θγ)

θγ[deg]

θγ[deg]

0.0

2.0

1.0

0.0

2.0

1.0

100 140 180 220 260

100 140 180 220 260

Dipole

Quadrupole

J. Endres et al., Phys. Rev. C 80 (2009) 034302

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Comparison: (α,α‘γ) and (γ,γ‘)

J. Endres et al., Phys. Rev. C 80 (2009) 034302

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Comparison: (α,α‘γ) and (γ,γ‘)

J. Endres et al., Phys. Rev. C 80 (2009) 034302

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A splitting of the PDR ?140Ce

138Ba

124Sn

94Mo

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A splitting of the PDR !

Splitting of the PDR:- Two groups of states with

different structure

Two different probes:- Isospin character- Interaction with nucleus

J. Endres et al., to be published

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E1 strength in the relativistic QRPA

N. Paar, Y.F. Niu, D. Vretenar, and J. Meng, PRL 103 (2009) 032502

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E1 strength in the relativistic QRPA

N. Paar, Y.F. Niu, D. Vretenar, and J. Meng, PRL 103 (2009) 032502

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Open questions concerning the PDR

• How complete are photon scattering experiments?

Depending on the nucleus 10% to 300% ofthe total strength are missing.

• Does the PDR show a strong N/Z dependence?

No direct evidence.

• What is the underlying excitation structure?

An isoscalar surface excitation at low energiesplus an isovector part at higher energies.

• What is the connection to the PDR in exotic nuclei?

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PDR in neutron rich Sn isotopes observed in (γ,n)

P. Adrich et al., Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 132501

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PDR in neutron rich 68Ni observed in γ decay

O. Wieland et al., Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 092502

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Open questions concerning the PDR

• How complete are photon scattering experiments?

Depending on the nucleus 10% to 250% ofthe total strength are missing.

• Does the PDR show a strong N/Z dependence?

No direct evidence.

• What is the underlying excitation structure?

An isoscalar surface excitation at low energiesplus an isovector part at higher energies.

• What is the connection to the PDR in exotic nuclei?

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The E1 response of deformed atomic nuclei

Do we understand the octupole structures ?

Energy/MeV

Stre

ngth

5 10 15

np

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Open questions concerning octupole structures

• What is the systematics of octupole excitations concerningenergies, strengths, branching ratios?

• What is the influence of the K quantum number?

• How do the excitations evolve in a shape transitionfrom spherical to well deformed?

• Are octupole excitations enhanced in exotic nuclei?

One needs selective and sensitive experimentsyielding as much observables as possible!

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An ideal setup for such experiments

• 14 HPGe detectors (in close geometry) • Photopeak efficiency at 1332 keV: up to 2%

• adequate efficiency• high energy resolution• angular resolution• auxillary particle detectors• coincidence techniques• robust ion beam

HORUS array at University of Cologne:

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(d,d‘γ) experiments on 172Yb

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Energy/MeV

Stre

ngth

5 10 15

E1 excitations in atomic nuclei:From Giants, Pygmies and Octupoles

Not only spin-isospin excitations are interesting…

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E1 excitations in atomic nuclei:From Giants, Pygmies and Octupoles

P. Butler, M. Elvers, J. Endres, M.N. Harakeh, S. Harissopoulos, J. Hasper, R.-D. Herzberg, R. Krücken, A. Lagoyannis, N. Pietralla, V. Yu. Ponomarev, D. Savran,

M. Scheck, K. Sonnabend, H.J. Wörtche, and A. Z.

Supported by the DFG (ZI 510/4-1 and SFB 634), HIC for FAIR and EURONS

Institut für Kernphysik, Universität zu KölnInstitut für Kernphysik, TU Darmstadt

KVI, University of GroningenDepartment of Physics, University of Liverpool,

Physik-Department E12, TU München,I.N.P. NSCR Demokritos, Athens