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Development of a low energy muon beam profile monitor and the study of the structure of 109Mo by β-γ spectroscopy
저에너지 뮤온 빔을 위한 빔 프로파일 모니터 개발 및 베타-감마선 분광법을 통한 109몰리브데넘의 구조 연구

DC Field Value Language
dc.contributor.advisor최선호-
dc.contributor.author배성한-
dc.date.accessioned2021-11-30T04:42:35Z-
dc.date.available2021-11-30T04:42:35Z-
dc.date.issued2021-02-
dc.identifier.other000000165881-
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10371/175914-
dc.identifier.urihttps://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000165881ko_KR
dc.description학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 자연과학대학 물리·천문학부(물리학전공), 2021. 2. 최선호.-
dc.description.abstractPart 1 The precise measurement of the anomalous magnetic moment (aμ =(gμ−2)/2) and electric dipole moment (EDM) is one way to search the beyond standard model. The higher precision can be achieved with a muon beam of very low transverse momentum and a new muon beamline was proposed at J-PARC for this purpose. A muon beam profile monitor (BPM) based on a microchannel plate (MCP) has been developed for this new muon beamline.
The performance of the BPM has been evaluated using a surface muon beam at J-PARC and additionally with an ultraviolet (UV) light source. The BPM showed response linearity without saturation from a few to 104 muons per bunch of 100 ns time width and 25Hz repetition rate. The spatial resolution of the BPM has been estimated to be less than 0.30mm by UV light test and consistent result has been deduced from the shapes of discrete single particle hit. A partial discrimination of the positron background from the decays of implanted muons has been achieved under discrete particle conditions.

Part 2 Various predictions on potential minima of neutron rich A ≈ 110 nuclei have been made for decades such as broken axial symmetry or symmetric deformations including oblate shape from several theoretical models but with little experimental evidence. In the recent β-γ spectroscopy, the prolate ground states and γ-vibrational band have been suggested for 106,108Mo. Meanwhile, a new isomeric transition of 109Mo was reported in uranium fragmentation and a first coincidence spectrum for the isomeric transition was reported from spontaneous fission of 252Cf suggesting oblate deformation based on the systematics study. However the prolate deformation was reported for 108,110Mo.
The results of first β-γ spectroscopy on the 109Mo are discussed in this thesis. The experimental data was produced in part of EURICA project in RIKEN, Japan. New γ-ray transitions and corresponding energy levels are
found with coincidence spectra including the known isomeric transition. Two new isomeric transitions with energy of 33, 36keV are found with consistent half-lives to the known one. A single isomeric state and a lower excited state are proposed to explain three isomeric transitions. The multipolarities of them are restricted considering internal conversion and transition strength. Based on the calculation result from deformed Woods-Saxon potential and recent result of 106,108,110Mo, possible configurations of one quasiparticle orbits are tested with Alaga rule and restricted multipolarities. One satisfying case of 1/2+[411] ground state and 5/2+[413] isomeric state is obtained from the configurations with two kinds of one quasiparticle orbit. It is consistent to the prolate region of calculation result in deformed Wood-Saxon potential of 108Zr. Considering
its consistency to an isotone, 111Ru, this configuration is proposed for the 109Mo. Other possible cases remain for three-orbit configurations.
The neutron emission probability and the lower limit of one neutron emission probability are also calculated as 27(11)% and 11.4(5)%, respectively.
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dc.description.abstractPart 1 뮤온의 비정상적인 자기 모멘트 (aμ = (gμ−2)/2) 와 전기 쌍극자 모멘 트에 대한 정밀 측정은 표준모형을 넘어서는 이론을 연구하는 한 가지 방법인데, 이를 위해 횡방향 운동량이 낮은 뮤온 빔을 만들기 위한 새로운 빔라인 구축이 일본 J-PARC에서 진행되고 있다. 이러한 J-PARC의 새로운 뮤온 빔라인을 위해 마이크로 채널 플레이트 기반의 뮤온 빔 프로파일 모니터를 개발하였다.
개발된 빔 프로파일 모니터의 성능은 J-PARC의 표면 뮤온 빔과 추가적인 자외선원을 활용해 실험하였는데, 25 Hz로 입사 되고 100 ns의 시간 길이를 가지는 하나의 빔 묶음당 수 개 에서 104개의 뮤온에 대해 신호의 선형성이 포화되지 않고 나타남을 확인하였다. 자외선원을 이용한 실험에서 최소 0.30mm의 분해능을 보여주었으며 이는 단일 입자 신호의 모양에서 얻어지는 것과 일관된 결과였다. 추가적으로, 뮤온의 붕괴에서 나오는 양전자에 의한 배경신호의 부분적 구별이
단일 입자 신호가 구별되는 상황에서 가능함을 확인하였다.

Part 2 지난 수십 년 간 질량수 110 근방 중성자 과잉 핵종들의 퍼텐셜 최소점에 대하여 축대칭 깨짐, 혹은 납작하거나 길쭉한 회전 타원체 변형들이 이론적으로 제안되어 왔지만 실험적인 근거가 부족한 상황이었다. 최근 보고된 베타-감마 분광법을 이용한 실험 데이터 분석에서는 길쭉한 회전타원체 변형의 바닥상태와 들뜬 상태의 감마 진동 밴드가 질량수 106, 108 몰리브데넘에 대해 제시되었다. 한편, 질량수 109 몰리브데넘의 새로운 이성질핵 전이가 우라늄 파편화를 통한 실험에 보고되었고 252Cf의 자발적 분열에 대한 분석에서 이 이성질핵 전이에 대한 동시 스펙트럼이 처음으로 보고되었는데, 이 분석에서는 근방의 짝수 몰리브데넘과는 다르게 납작한 회전타원체 변형의 바닥상태가 과거의 이론적 계산에 근거한 계통 조사를 통해 제안되었다.
본 논문에서는 최초로 베타-감마 분광법을 이용한 109 몰리브데넘 분석의 결과를 다루었다. 분석에 사용된 실험 데이터는 일본 RIKEN의 EURIKA 프로젝트의 일환으로 만들어졌다. 기존의 이성질핵 전이를 포함하여 새로 발견된 감마선들과 동시 스펙트럼을 분석하여 이에 따른 새로운 에너지 준위들을 발견하였고 기존의 이성질핵 전이의 수명과 일치하는 수명을 가지는 33, 36keV의 새로운 두 이성질핵 전이들을 발견하였다. 이러한 세 이성질핵 전이를 설명하기위해 하나의 이성질핵 상태와 더 낮은 에너지의 들뜬 상태를 제안하였다. 이성질핵 전이들의 다중극성은 내부 전환 과정과 전이 세기에 대한 정보를 통해 한정할 수 있었다. 변형된 Woods-Saxon 퍼텐셜에 대한 계산 결과와 질량수 106, 108,110 몰리브데넘에 대한 최근 분석 결과를 기반으로 바닥상태, 낮은 에너지의 들뜬상태와 이성질핵 상태에 대한 가능한 단일 준입자 궤도 구성이 고려되었고 Alaga rule과 한정된 다중극성을 이용하여 가능한 궤도 구성을 추려내었다. 결과적으로 두 개의 단일 준입자 궤도 구성으로는 1/2+[411] 바닥상태와 5/2+[413] 이성질핵 상태를 가지는 한 가지 경우만이 가능하였지만 세 개의 단일 중성자 궤도 구성에서는 복수의 경우가 가능하였다. 두 개의 단일 준입자 궤도 구성의 경우 111Ru 과 유사한 에너지구조를 확인할 수 있었고 이에 근거해 이를 109Mo의 바닥상태와 이성질핵상태의 양자적 구성으로 제안하였다. 이에 더해, 중성자 방출 확률과 단-중성자 방출 확률 하한 또한 구하였는데 이는 각각 27(11)%, 11.4(5)% 로 나타났다.
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dc.description.tableofcontentsI Development of a muon beam profile monitor for the J-PARC muon g − 2/EDM measurement project 1
Chapter 1 Introduction 2
1.1 J-PARC muon g − 2/EDM measurement project . . . . . . . . 2
1.1.1 Anomalous magnetic moment and spin precession . . . 2
1.1.2 New beamline for the precision measurement . . . . . . 3
1.1.3 Requirements for new beam profile monitor . . . . . . . 5
1.2 Goal of new muon beam profile monitor . . . . . . . . . . . . . 6
Chapter 2 Experiment 9
2.1 BPM design and specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 MCP assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 CCD camera and Lens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Muon beam condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Detector setup and Data acquisition . . . . . . . . . . . 15
2.2.3 UV light test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Chapter 3 Analysis 21
3.1 Baselines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Single signal analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Additional noise exclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4 Positron counting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5 Higher intensity data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Chapter 4 Results 33
4.1 Single signal properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1 Single signal intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.2 Signal width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Time distribution of intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3 Response Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.1 Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.4 Spatial resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4.1 Resolution with UV light . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4.2 Comparison with μ signal width . . . . . . . . . . . . . 44
Chapter 5 Conclusions 45
II The study of the structure of 109Mo by β − γ spectroscopy 47
Chapter 6 Introduction 48
6.1 Overview of nuclear structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.1.1 Nuclear shell model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.1.2 Deformation of the nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.1.3 Spin and parity of ground states . . . . . . . . . . . . . 54
6.2 Purpose of the research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.2.1 Breif overview for precedent researches . . . . . . . . . . 55
6.2.2 Researches for 109Mo and its neighbors . . . . . . . . . . 57
6.3 β-γ spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Chapter 7 Experiment 60
7.1 RI beam production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.2.1 BigRIPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.2.2 WAS3ABi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.2.3 EURICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Chapter 8 Analysis 69
8.1 Particle Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.2 Event sorting and merging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8.2.1 Ion, β event building . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.2.2 β-Ion correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.2.3 β-γ correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.3 γ-ray analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.3.1 Efficiency and energy resolution . . . . . . . . . . . . . . 76
8.3.2 Addback process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.3.3 γ-T analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3.4 γ-γ coincidences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.3.5 Background subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Chapter 9 Results 91
9.1 Half-life of 109Nb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.2 Isomeric transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.2.1 Half-lives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.2.2 Level scheme for isomeric transitions . . . . . . . . . . . 95
9.3 The Neutron emission probability . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.3.1 P1n lower limit from 108Mo γ-rays . . . . . . . . . . . . 100
9.3.2 Pn from sequential β-decay . . . . . . . . . . . . . . . . 102
9.4 Partial level scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Chapter 10 Discussion 111
10.1 Limits for multipolarity of isomeric transitions . . . . . . . . . 111
10.1.1 Upper limits of internal conversion coefficients . . . . . 111
10.1.2 Weisskopf estimation and recommended upper limits . . 113
10.1.3 Summary for the multipolarity restrictions . . . . . . . 116
10.2 Spin-parities for isomeric state and ground state . . . . . . . . 118
10.2.1 Candidates for single neutron orbits . . . . . . . . . . . 118
10.2.2 Levels and transitions in the isotone, 111Ru . . . . . . . 119
10.2.3 Proposed configuration of 109Mo and its consistency to 111Ru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Chapter 11 Conclusions 125
Chapter A Theoretical tools 128
A.1 Alaga rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
A.2 Transition strength and Weisskopf estimation . . . . . . . . . . 131
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dc.format.extentxviii, 143-
dc.language.isoeng-
dc.publisher서울대학교 대학원-
dc.subjectmicrochannel plate-
dc.subjectmuon beam profile monitor-
dc.subjectβ-γ spectroscopy-
dc.subjectneutron-rich isotope-
dc.subjectnuclear isomer-
dc.subjectnuclear structure-
dc.subject마이크로 채널 플래이트-
dc.subject뮤온 빔 프로파일 모니터-
dc.subject베타 감마 분광법-
dc.subject중성자 과잉 동위원소-
dc.subject이성질핵-
dc.subject핵구조-
dc.subject.ddc523.01-
dc.titleDevelopment of a low energy muon beam profile monitor and the study of the structure of 109Mo by β-γ spectroscopy-
dc.title.alternative저에너지 뮤온 빔을 위한 빔 프로파일 모니터 개발 및 베타-감마선 분광법을 통한 109몰리브데넘의 구조 연구-
dc.typeThesis-
dc.typeDissertation-
dc.contributor.AlternativeAuthorBae Sunghan-
dc.contributor.department자연과학대학 물리·천문학부(물리학전공)-
dc.description.degreeDoctor-
dc.date.awarded2021-02-
dc.embargo.liftdate2024-03-01-
dc.identifier.uciI804:11032-000000165881-
dc.identifier.holdings000000000044▲000000000050▲000000165881▲-
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College of Natural Sciences (자연과학대학)Dept. of Physics and Astronomy (물리·천문학부)Physics (물리학전공)Theses (Ph.D. / Sc.D._물리학전공)
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