German Title: Erste Messungen des nuklearen Zwei-Photonen-Zerfalls an Speicherringen

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Abstract

This thesis introduces a pioneering approach by combining Schottky and Isochronous Mass Spectrometry (S+IMS) to directly measure the nuclear two-photon or double-gamma (2γ) decay rate in the low-energy regime, below the electron-positron pair creation threshold. This method extends non-destructive lifetime spectroscopy to include shorter-lived species (≳ 1 ms), and achieves an unprecedented mass resolving power of 9.1 × 105 for IMS. This capability allowed us to successfully resolve excited states, down to the 101 keV isomer in 72 Br. We determined the half-life for the 2γ decay of the first-excited 0+ state in bare 72Ge ions to be 23.9 (6) ms, a finding that significantly diverges from prior expectations. This divergence potentially results from the structure of this mid-shell nucleus in comparison to the structures of the so far measured semi-magic and doubly-magic nuclei. Further investigations are required to fully understand these discrepancies. Furthermore, this work presents some of the most precise mass measurements ever achieved at storage rings. We notably improved the mass uncertainty for 69As and identified a significant deviation (> 3σ) for 72As from previously tabulated values. These results demonstrate the potential of our technique for mass measurements and for exploring nuclear decay pathways previously inaccessible, opening new venues for future research at storage rings.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz vorgestellt, bei dem Schottky- und Isochron-Massenspektrometrie (S+IMS) kombiniert werden, um die nukleare Zwei-Photonen- oder Doppel-Gamma-Zerfallsrate (2γ) im Niederenergiebereich unterhalb der Elektron-Positron-Paarbildungsschwelle direkt zu messen. Diese Methode erweitert die zerstörungsfreie Lebensdauerspektroskopie zu kürzerlebigen Spezies (≳ 1 ms) und erzielt ein mit IMS bisher noch nie erreichtes Massenauflösungsvermögen von 9.1 × 10^5. Dank dieser Fähigkeit konnten wir erfolgreich angeregte Zustände mit einer Energie von bis zu 101 keV, wie der des Isomers in 72Br auflösen. Wir haben die Halbwertszeit für den 2γ-Zerfall des ersten angeregten 0+ -Zustands in reinen 72Ge-Ionen mit 23.9 (6) ms bestimmt, ein Ergebnis, das erheblich von den bisherigen Erwartungen abweicht. Diese Abweichung ergibt sich möglicherweise aus der Struktur dieses Kernes im Vergleich zu den Strukturen der bisher gemessenen magischen und doppeltmagischen Kerne. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um diese Diskrepanzen vollständig zu verstehen. Darüber hinaus präsentiert diese Arbeit einige der präzisesten Massenmessungen, die jemals an Speicher-ringen durchgeführt wurden. Wir haben insbesondere die Massenunsicherheit für 69 As verbessert und eine signifikante Abweichung (> 3σ) für 72 As von den zuvor angegebenen Werten festgestellt. Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial unserer Technik für Massenmessungen und für die Erforschung bisher unzugänglicher nuklearer Zerfallsprozesse und eröffnen dadurch neue Möglichkeiten für künftige Forschungen an Speicherringen.