Nuclear structure studies in the xenon and radon region and the discovery of a new radon isotope by Penning trap mass spectrometry

Heutzutage gewähren hochpräzise Massenmessungen mit Penning-Fallen tiefe Einblicke in die fundamentalen Eigenschaften der Kernmaterie. Zu diesem Zweck wird die freie Zyklotronfrequenz eines Ions bestimmt, das in einem starken, homogenen Magnetfeld gespeichert ist. Am ISOLTRAP-Massenspektrometer an ISOLDE / CERN können die Massen von kurzlebigen, radioaktiven Nukliden mit Halbwertszeiten bis zu einigen zehn ms mit einer Unsicherheit in der Größenordnung von 10^-8 bestimmt werden. ISOLTRAP besteht aus einem Radiofrequenz-Quadrupol zum akkumulieren der von ISOLDE gelieferten Ionen, sowie zwei Penning-Fallen zum säubern und zur Massenbestimmung der Ionen. Innerhalb dieser Arbeit wurden die Massen von neutronenreichen Xenon- und Radonisotopen (138-146Xe und 223-229Rn) gemessen. Für elf davon wurde zum ersten Mal die Masse direkt bestimmt; 229Rn wurde im Zuge dieses Experimentes sogar erstmalig beobachtet und seine Halbwertszeit konnte zu ungefähr 12 s bestimmt werden. Da die Masse eines Nuklids alle Wechselwirkungen innerhalb des Kerns widerspiegelt, ist sie einzigartig für jedes Nuklid. Eine dieser Wechselwirkungen, die Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen, führt zum Beispiel zu Deformationen. Das Ziel dieser Arbeit ist eine Verbindung zwischen kollektiven Effekten, wie Deformationen und Doppeldifferenzen von Bindungsenergien, sogenannten deltaVpn-Werten zu finden. Insbesondere in den hier untersuchten Regionen zeigen deltaVpn-Werte ein sehr ungewöhnliches Verhalten, das sich nicht mit einfachen Argumenten deuten lässt. Eine Erklärung könnte das Auftreten von Oktupoldeformationen in diesen Gebieten sein. Nichtsdestotrotz ist eine quantitative Beschreibung von deltaVpn-Werten, die den Effekt von solchen Deformationen berücksichtigt mit modernen Theorien noch nicht möglich.

Nowadays high-precision mass measurements based on Penning traps allow a deep insight into the fundamental properties of nucleonic matter. To this end, the cyclotron frequency of an ion confined in a strong, homogeneous magnetic field B is determined. At the ISOLTRAP mass spectrometer at ISOLDE / CERN the masses of short-lived radioactive nuclei with half-lives down to several ten ms can be measured with an uncertainty in the order of 10^-8 and below. ISOLTRAP consists of an RFQ cooler and buncher to cool and accumulate the ions coming from ISOLDE and a double Penning trap system to first clean the ion samples and finally perform the mass measurements. Within this thesis the masses of neutron rich xenon and radon isotopes, namely 138-146Xe and 223-229Rn were determined, eleven of them for the first time. 229Rn was even discovered in this experiment and its half-life could be determined to roughly 12 s. Since the mass reflects all interactions inside the nucleus it is a unique fingerprint of the nuclide of interest. One of these interactions, the proton-neutron interaction, leads for example to the onset of deformation. The aim of this thesis is to investigate a possible connection between collective effects in nuclei, like the onset of deformation, and double-differences of binding energies, so called deltaVpn-values. Especially in the here presented areas these deltaVpn-values show a very unusual behavior and cannot be explained with simple orbital overlapping arguments. One explanation could be the occurrence of octupolar deformation in these regions, which is usually probed with other experimental techniques. However, a quantitative description of the influence of such type of deformation on deltaVpn is still not possible with modern theories.