Dynamics and Thermodynamics of Exo3c Nuclear Systems - - PowerPoint PPT Presentation

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Sep 24, 2022 387 likes •521 views

Dynamics and Thermodynamics of Exo3c Nuclear Systems OpportuniEes with Reaccelerated Beams at NSCL Alan McIntosh Texas A&M University Alan McIntosh, Texas

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SLIDE 1

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

Dynamics ¡and ¡Thermodynamics ¡of ¡Exo3c ¡Nuclear ¡Systems ¡

OpportuniEes ¡with ¡Reaccelerated ¡Beams ¡at ¡NSCL ¡

Alan ¡McIntosh ¡

Texas ¡A&M ¡University ¡

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SLIDE 2

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

Mapping ¡Nuclear ¡Phase ¡Diagram ¡for ¡ Systems ¡of ¡different ¡N-­‑Z ¡Asymmetries ¡

gas nucleus stable metastable regions ρ/ρ0 T emperature (MeV)

5 10 15 20 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

critical point liquid FRAGMENT AT ION MUL T I−

spinodal region

A.B ¡McIntosh ¡et ¡al. ¡PLB ¡719 ¡337 ¡(2013) ¡ A.B. ¡McIntosh ¡et ¡al. ¡EPJA ¡50 ¡35 ¡(2014) ¡

Caloric ¡curve ¡(T ¡vs ¡E*/A) ¡depends ¡on ¡asymmetry. ¡ CriEcal ¡parameters ¡Tc ¡and ¡ρc ¡depend ¡on ¡asymmetry ¡ NIMROD ¡4pi ¡array ¡@ ¡TAMU ¡ Zn+Zn, ¡Ni+Ni ¡@ ¡35 ¡MeV/u ¡

  • Reconstructed ¡the ¡hot ¡primary ¡quasi-­‑

projecEle ¡following ¡the ¡collision ¡

  • Extracted ¡thermodynamic ¡quanEEes ¡

for ¡shape-­‑equilibrated ¡QPs ¡

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SLIDE 3

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

  • P. ¡Cammarata ¡et ¡al., ¡NIMA ¡792, ¡61 ¡(2015) ¡
  • L. ¡Heilborn ¡et ¡al., ¡NIMA ¡arEcle ¡in ¡preparaEon ¡

A.B. ¡McIntosh ¡et ¡al., ¡NIMA ¡arEcle ¡in ¡preparaEon ¡

FAUST ¡ Measure ¡Light ¡Charged ¡ParEcles ¡ PosiEon-­‑SensiEve ¡ ΔE, ¡E ¡à ¡Z, ¡A, ¡Energy ¡ 1.6° ¡≤ ¡θ ¡≤ ¡45° ¡ Quadrupole ¡Triplet ¡Spectrometer ¡ Measure ¡Fusion-­‑EvaporaEon ¡Residues ¡ Time-­‑Of-­‑Flight, ¡ΔE, ¡E ¡à ¡Velocity, ¡Energy, ¡Z, ¡A ¡ 0.9° ¡≤ ¡θ ¡≤ ¡2.3° ¡

Nuclear ¡Thermodynamics ¡(July ¡2015): ¡

Calibra4on ¡underway ¡

78,86Kr+C ¡@ ¡E/A ¡= ¡15, ¡25, ¡35 ¡MeV ¡

Fusion ¡reacEons ¡provide ¡systems ¡of ¡well ¡ known ¡asymmetry ¡and ¡excitaEon ¡energy ¡

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SLIDE 4

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

Mapping ¡the ¡Nuclear ¡Phase ¡Diagram ¡for ¡Extreme ¡N-­‑Z ¡Asymmetries: ¡

  • Fusion ¡with ¡74,87Kr+C ¡
  • @ ¡4.6 ¡MeV/u ¡(ReA3) ¡à ¡E*/A ¡= ¡0.6 ¡MeV ¡
  • @ ¡9.2 ¡MeV/u ¡(ReA6) ¡à ¡E*/A ¡= ¡1.1 ¡MeV ¡
  • @ ¡18.4 ¡MeV/u ¡(ReA12) ¡ ¡E*/A ¡= ¡2.2 ¡MeV ¡
  • @ ¡23.0 ¡MeV/u ¡(ReA15) ¡ ¡E*/A ¡= ¡2.8 ¡MeV ¡
  • Fusion ¡with ¡74,87Kr+Mg ¡
  • @ ¡4.6 ¡MeV/u ¡(ReA3) ¡à ¡E*/A ¡= ¡0.8 ¡MeV ¡
  • @ ¡9.2 ¡MeV/u ¡(ReA6) ¡à ¡E*/A ¡= ¡1.6 ¡MeV ¡
  • @ ¡18.4 ¡MeV/u ¡(ReA12) ¡ ¡E*/A ¡= ¡3.3 ¡MeV ¡
  • @ ¡23.0 ¡MeV/u ¡(ReA15) ¡ ¡E*/A ¡= ¡4.0 ¡MeV ¡
  • Higher ¡beam ¡energy ¡allows ¡more ¡of ¡the ¡phase ¡diagram ¡to ¡be ¡explored ¡
  • Measurement ¡of ¡the ¡fusion ¡residue ¡at ¡small ¡angles ¡(Si-­‑CsI ¡or ¡large ¡acceptance ¡

spectrometer, ¡e.g. ¡ISLA) ¡

  • Measurement ¡of ¡evaporated ¡parEcles ¡5°-­‑45° ¡(Si-­‑CsI) ¡ ¡

large ¡spread ¡in ¡asymmetry: ¡ 13 ¡neutrons ¡difference ¡ (N-­‑Z)/A ¡= ¡0.02 ¡to ¡0.16 ¡

O p p

  • r

t u n i t i e s a t R e A

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SLIDE 5

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

G.A. ¡SoulioEs ¡et ¡al, ¡PRC ¡90 ¡064612 ¡(2014) ¡ R.T. ¡de ¡Souza ¡et ¡al, ¡PRC ¡39 ¡114 ¡(1989) ¡

Neutron ¡and ¡proton ¡transport ¡ between ¡projec3le ¡and ¡target ¡

Earlier ¡work ¡at ¡the ¡SuperHILAC ¡ 40,48Ca+U ¡@ ¡8.5 ¡MeV/u ¡ How ¡are ¡nucleons ¡transferred? ¡ How ¡are ¡protons ¡transferred ¡ differently ¡than ¡protons? ¡ More ¡recently ¡at ¡TAMU’s ¡MARS: ¡ 86Kr+64,58Ni ¡@ ¡15MeV/u ¡ Trends ¡in ¡the ¡yield ¡raEos ¡(isoscaling) ¡ demonstrate ¡incomplete ¡equilibraEon ¡ ¡

Heavy ¡residue ¡yields ¡ provide ¡informaEon ¡on ¡ the ¡details ¡of ¡the ¡force ¡ governing ¡nucleon ¡

  • transport. ¡We’ve ¡

learned ¡about ¡the ¡ potenEal’s ¡ dependence ¡on ¡ asymmetry, ¡density, ¡ momentum... ¡

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SLIDE 6

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

Theriault ¡et ¡al. ¡PRC ¡74 ¡051602R ¡(2006) ¡

  • L. ¡May ¡Ph.D. ¡Thesis, ¡Texas ¡A&M ¡Univeristy ¡(2015) ¡

M.B. ¡Tsang ¡et ¡al. ¡PRC ¡92 ¡062701 ¡(2004) ¡

Classical ¡Isoscaling ¡at ¡MSU: ¡ Sn+Sn ¡@ ¡50 ¡MeV/u ¡ Isoscaling ¡of ¡intermediate ¡mass ¡fragments ¡ Establish ¡degree ¡of ¡N-­‑Z ¡equilibraEon ¡achieved ¡ This ¡year ¡at ¡TAMU’s ¡NIMROD: ¡

70Zn,64Zn,64Ni ¡+ ¡70Zn,64Zn,64Ni ¡@ ¡35 ¡MeV/u ¡

a) Isoscaling, ¡ b) isobaric ¡yield ¡raEos, ¡and ¡ c) composiEon ¡of ¡reconstructed ¡quasi-­‑projecEles ¡ à ¡provide ¡complementary ¡measures ¡of ¡the ¡N-­‑Z ¡equilibraEon ¡

Isoscaling ¡α ¡(Z=4-­‑8) 77% 83% 54% Isoscaling ¡α ¡(Z=4-­‑14) 76% 85%

  • ­‑

3H/3He ¡ratio

72% 77%

  • ­‑

QP ¡ms 96% 85%

  • ­‑

Equilibration ¡Observable 35 ¡MeV/nucleon ¡

70,64Zn+70,64Zn

35 ¡MeV/nucleon ¡

64Zn,64Ni+64Zn,64Ni

50 ¡MeV/nucleon ¡

124,112Sn+124,112Sn

Isotopic ¡yields ¡of ¡all ¡types ¡ are ¡sensiEve ¡to ¡the ¡ equilibraEon ¡and ¡can ¡provide ¡ access ¡to ¡the ¡asymmetry ¡energy ¡

Neutron ¡and ¡proton ¡transport ¡ between ¡projec3le ¡and ¡target: ¡ (N-­‑Z)/A ¡equilibra3on ¡

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SLIDE 7

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

Isospin ¡transport ¡with ¡extreme ¡(N-­‑Z)/A ¡

74,87Kr ¡+ ¡64,70Zn ¡or ¡74,87Kr ¡+ ¡112,124Sn ¡

  • @ ¡4.6 ¡MeV/u ¡(ReA3) ¡
  • @ ¡9.2 ¡MeV/u ¡(ReA6) ¡
  • @ ¡18.4 ¡MeV/u ¡(ReA12) ¡
  • @ ¡23.0 ¡MeV/u ¡(ReA15) ¡

¡ Larger ¡range ¡of ¡beam ¡energy: ¡

  • varying ¡dynamical ¡character ¡
  • varying ¡degree ¡of ¡equilibraEon ¡

¡Greater ¡sensi3vity ¡to ¡the ¡poten3al ¡driving ¡equilibra3on ¡

  • Measurement ¡of ¡the ¡projecEle-­‑like ¡fragment ¡at ¡small ¡angles ¡(Si-­‑CsI ¡or ¡large ¡

acceptance ¡spectrometer, ¡e.g. ¡ISLA) ¡

  • Measurement ¡of ¡charged ¡parEcles ¡in ¡the ¡forward ¡hemisphere ¡(Si-­‑CsI ¡array) ¡
  • Measurement ¡of ¡free ¡neutrons ¡(e.g. ¡MoNA-­‑LISA, ¡LENDA, ¡VANDLE) ¡

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SLIDE 8

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

Theriault ¡et ¡al. ¡PRC ¡74 ¡051602R ¡(2006) ¡

Neutron ¡and ¡proton ¡transport ¡ ¡to ¡ and ¡from ¡the ¡mid-­‑rapidity ¡region ¡

FIRST ¡@ ¡TAMU ¡ 64Zn+64Zn ¡@ ¡35 ¡MeV/u ¡ In ¡the ¡nucleon ¡transport ¡process, ¡the ¡ excess ¡neutrons ¡are ¡manifest ¡as ¡free ¡ neutrons ¡between ¡the ¡target ¡and ¡ projecEle ¡

O p p

  • r

t u n i t i e s a t R e A

Isospin ¡transport ¡including ¡a ¡system ¡with ¡N<Z ¡

  • Majority ¡parEcle ¡(the ¡protons!) ¡should ¡be ¡preferred ¡at ¡

low ¡density ¡when ¡N<Z ¡

  • InteresEng ¡check/constraint ¡on ¡transport ¡models ¡
  • Allow ¡for ¡a ¡new ¡type ¡of ¡measurement ¡to ¡constrain ¡the ¡

symmetry ¡energy ¡

  • 53,64Co ¡+ ¡40,48Ca ¡(N-­‑Z=-­‑1,18) ¡
  • @ ¡4.6 ¡MeV/u ¡(ReA3) ¡
  • @ ¡9.2 ¡MeV/u ¡(ReA6) ¡
  • @ ¡18.4 ¡MeV/u ¡(ReA12) ¡
  • @ ¡23.0 ¡MeV/u ¡(ReA15) ¡
  • Higher ¡beam ¡energies ¡produce ¡densi3es ¡farther ¡from ¡

satura3on ¡density ¡ ¡Stronger ¡density-­‑driven ¡transport ¡

  • Measurement ¡of ¡projecEle-­‑like ¡fragment ¡small ¡angles ¡(Si-­‑

CsI ¡or ¡large ¡acceptance ¡spectrometer) ¡

  • Measurement ¡of ¡charged ¡parEcles, ¡2°-­‑45° ¡in ¡Si-­‑CsI ¡
  • Measurement ¡of ¡neutrons, ¡2°-­‑45°, ¡M-­‑L, ¡LENDA, ¡VANDLE ¡
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SLIDE 9

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

  • S. ¡Hudan ¡et ¡al. ¡PRC ¡86 ¡021603 ¡(2012) ¡

FIRST ¡@ ¡GANIL ¡ Xe ¡+ ¡Sn ¡@ ¡50 ¡MeV/u ¡

  • Focus ¡on ¡deep ¡inelasEc ¡collisions ¡which ¡oven ¡

form ¡a ¡“neck” ¡between ¡the ¡proj ¡and ¡targ. ¡

  • The ¡neck ¡region ¡is ¡neutron ¡rich ¡
  • Collision ¡dynamics ¡can ¡give ¡rise ¡to ¡deformed ¡PLF* ¡
  • The ¡PLF* ¡can ¡iniEally ¡be ¡out ¡of ¡N-­‑Z ¡equilibrium ¡

¡

  • The ¡rotaEon ¡angle ¡can ¡be ¡used ¡as ¡a ¡clock ¡to ¡

benchmark ¡N-­‑Z ¡equilibraEon ¡

  • Isotopic ¡yields ¡varying ¡with ¡decay ¡angle ¡indicate ¡

equilibraEon ¡within ¡the ¡PLF* ¡

Neutron ¡and ¡proton ¡transport ¡ within ¡a ¡deformed ¡PLF* ¡

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SLIDE 10

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

M.B. ¡Tsang ¡et ¡al. ¡PRC ¡92 ¡062701 ¡(2004) ¡

  • A. ¡Jedele ¡et ¡al. ¡Manuscript ¡in ¡preparaEon ¡(2015) ¡
  • S. ¡Hudan ¡et ¡al. ¡PRC ¡86 ¡021603 ¡(2012) ¡

Neutron ¡and ¡proton ¡transport ¡ within ¡a ¡deformed ¡PLF* ¡

Currently ¡with ¡NIMROD ¡@ ¡TAMU ¡ 70Zn+70Zn ¡@ ¡35 ¡MeV/u ¡

  • Isotopic ¡measurement ¡of ¡both ¡daughters ¡
  • Daughters ¡toward ¡each ¡other, ¡and ¡then ¡plateau ¡
  • Strongest ¡evidence ¡to ¡date ¡of ¡N-­‑Z ¡equilibraEon ¡within ¡a ¡PLF* ¡
  • Technique ¡allows ¡a ¡real-­‑Eme ¡(sub-­‑zeptosecond) ¡measurement ¡

showing ¡the ¡smooth ¡evoluEon ¡of ¡asymmetry ¡

increasing ¡Eme ¡

180-­‑α ¡

Watching ¡EquilibraEon ¡As ¡it ¡Occurs ¡ The ¡detailed ¡evoluEon ¡of ¡the ¡ equilibraEon ¡may ¡contain ¡more ¡ informaEon ¡about ¡the ¡equaEon ¡of ¡ state ¡than ¡the ¡equilibrium ¡values ¡

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SLIDE 11

Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

Nucleon ¡transport ¡within ¡a ¡deformed ¡PLF* ¡

¡

  • 74,87Kr ¡+ ¡64,70Zn ¡and ¡74,87Kr ¡+ ¡112,124Sn ¡

¡

  • @ ¡4.6 ¡MeV/u ¡(ReA3) ¡
  • @ ¡9.2 ¡MeV/u ¡(ReA6) ¡
  • @ ¡18.4 ¡MeV/u ¡(ReA12) ¡
  • @ ¡23.0 ¡MeV/u ¡(ReA15) ¡

¡

  • Higher ¡beam ¡energies ¡produce ¡larger ¡density ¡gradients ¡and ¡more ¡deformed ¡PLF* ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡Stronger ¡larger ¡ini3al ¡asymmetry ¡imbalance ¡within ¡the ¡PLF* ¡

  • Measurement ¡of ¡the ¡projecEle-­‑like ¡fragment ¡at ¡small ¡angles ¡(Si-­‑CsI ¡or ¡large ¡

acceptance ¡spectrometer) ¡

  • Measurement ¡of ¡a ¡broad ¡range ¡of ¡IMFs ¡in ¡the ¡forward ¡hemisphere ¡(Si-­‑CsI ¡array) ¡

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Alan ¡McIntosh, ¡Texas ¡A&M ¡University ¡ ¡ ReA ¡Upgrade ¡Workshop, ¡August ¡2015, ¡East ¡Lansing ¡

User ¡needs: ¡

¡ Intense, ¡heavy-­‑ion ¡beams ¡spanning ¡a ¡broad ¡asymmetry ¡ e.g. ¡74,87Kr, ¡53,64Co ¡... ¡or ¡heavier ¡ ¡ InteresEng ¡physics ¡in ¡transport ¡and ¡dynamics ¡can ¡be ¡probed ¡at ¡ReA ¡3 ¡energies. ¡ Increased ¡beam ¡energy ¡to ¡ReA12 ¡or ¡even ¡ReA15 ¡greatly ¡enhance ¡the ¡breadth ¡

  • f ¡the ¡science ¡of ¡dynamics ¡and ¡thermodynamics ¡that ¡can ¡be ¡studied. ¡

How ¡high ¡should ¡the ¡energy ¡be? ¡ALARA: ¡As ¡Large ¡As ¡Reasonably ¡Achievable ¡ ¡ Experimental ¡space ¡for ¡moderately ¡compact ¡charged ¡parEcle ¡detector ¡arrays. ¡ ¡ Coincidence ¡measurements ¡with ¡ancillary ¡detectors ¡such ¡as ¡neutron ¡detectors ¡(e.g. ¡ MoNA-­‑LISA, ¡LENDA, ¡VANDLE) ¡and ¡a ¡large ¡acceptance ¡zero-­‑degree ¡spectrometer ¡(e.g. ¡ ISLA) ¡can ¡add ¡immense ¡value. ¡ ¡ Flexibility ¡in ¡terms ¡of ¡configuring ¡the ¡experimental ¡areas ¡is ¡important ¡to ¡maximize ¡ the ¡science ¡opportuniEes. ¡ O p p

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