prof. dr hab. Bogdan Fornal Kraków, 15 października 2015 r. Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego Polska Akademia Nauk RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ mgr Justyny Samorajczyk pt. Badanie korelacji kątowych kwantów gamma za pomocą układu EAGLE Rozprawa doktorska Pani mgr Justyny Samorajczyk stanowi liczące sto czterdzieści jeden stron opracowanie, prezentujące wyniki prac badawczych przeprowadzonych przez Doktorantkę w Katedrze Fizyki Jądrowej i Bezpieczeństwa Radiacyjnego Uniwersytetu Łódzkiego. Praca miała na celu, po pierwsze, opracowanie strategii pomiarów oraz analizy korelacji kątowych kwantów gamma z wykorzystaniem wielodetektorowego układu detektorów germanowych EAGLE, pracującego na wiązce ciężkich jonów cyklotronu w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów (ŚLCJ) Uniwersytetu Warszawskiego (UW). Po drugie, wyznaczenie na podstawie przygotowanej metody: i) udziału promieniowania typu M1 w przejściach zachodzących w pasmach chiralnych jądra 124 Cs, dla których I=1, ii) określenie stosunku zmieszania E3/M2 dla przejścia ze stanu izomerycznego I=8 i K=8 w jądrze 130 Ba oraz iii) ustalenie poprawnych przyporządkowań liczby kwantowej spinu do nisko leżących stanów wzbudzonych w 140 Sm. Uzyskane wyniki stanowią doskonały materiał wspomagający weryfikacje podejść teoretycznych, a tym samym poszerzający wiedzę na temat jednocząstkowych oraz kolektywnych zjawisk w jądrze atomowym. Łódzka grupa badawcza, którą kieruje prof. Józef Andrzejewski, a w której wykonywała pracę doktorską Pani mgr Samorajczyk właśnie pod kierownictwem prof. Andrzejewskiego jako promotora i dr. Jarosława Perkowskiego jako promotora pomocniczego, od wielu lat specjalizuje się w pomiarach na wiązce cyklotronu w ŚLCJ. Jest więc doskonale przygotowana do prowadzenia eksperymentów na aparaturze badawczej wysokiej klasy, która dostępna jest w ŚLCJ. W tej sytuacji wybór tematu oraz zakres prac doświadczalnych, w które zaangażowała się Pani mgr Samorajczyk, wydają się ze wszech miar uzasadnione. 1
Część wyników przedstawionych w rozprawie doktorskiej została już opublikowana w recenzowanych czasopismach o zasięgu międzynarodowym; w jednym artykule, tym który ukazał się w najbardziej prestiżowym wydawnictwie Physical Review C, Doktorantka jest pierwszym autorem. Świadczy to o wiodącym jej udziale w pomiarach i w analizie danych eksperymentalnych oraz o znaczeniu uzyskanych rezultatów. Praca doktorska została napisana według klasycznego dla tego typu opracowań schematu: rozpoczynają ją Spis treści i Streszczenie, po których następuje Wstęp, mający na celu poinformowanie czytelnika o kontekście oraz zakresie podejmowanych badań. W kolejnych trzech rozdziałach omawiane są zagadnienia dotyczące rozkładów przestrzennych kwantów gamma emitowanych podczas rozpadu stanów wzbudzonych jąder atomowych oraz kątowych korelacji między tymi kwantami w zależności od rozkładu kierunku krętów badanych jąder. W pierwszym spośród omawianych rozdziałów dyskutowane są rozkłady kątowe promieniowania gamma emitowanego z jąder posiadających uporządkowany kierunek spinu. Autorka omawia tutaj spinowe reguły wyboru, którym podlega emisja promieniowania gamma, prezentuje też w bardzo klarowny sposób wyczerpujące informacje na temat rozkładów kątowych kwantów gamma emitowanych z jąder o pełnej orientacji spinu oraz formalizm matematyczny stosowany do opisu tej emisji. Za pomocą doskonale dobranych rysunków ilustruje różne scenariusze uporządkowania spinów jąder. Przybliża czytelnikowi zagadnienie rozmycia kierunku spinów w rzeczywistych układach produktów reakcji oraz omawia czynniki korekcyjne wynikające ze skończonych rozmiarów detektorów. Zapisuje uogólniony wzór na rozkład kątowy. Następny rozdział mówi o korelacjach kątowych pomiędzy kwantami gamma wysyłanymi z jąder ze spinami nieuporządkowanymi oraz o analizie takich korelacji. Pani mgr Samorajczyk w sposób niezwykle przejrzysty wyjaśnia pojawienie się nieizotropowości rozkładu kątowego kwantu gamma emitowanego w kaskadzie wtedy, gdy kierunek innego kwantu z kaskady zostaje ustalony przez jego detekcję pod ustalonym kątem. Wyprowadza ogólny wzór na rozkład kątowy dla omawianego przypadku oraz ilustruje działanie tego wzoru na przykładzie konkretnych kaskad kwantów. Niezwykle pomocne z dydaktycznego puntu widzenia są ilustracje rozkładu wartości współczynników funkcji korelacji kątowej A22 i A44 na płaszczyźnie o współrzędnych A22 i A44 w zależności od wartości spinów stanów definiujących kaskadę gamma oraz współczynnika zmieszania przejść. 2
Z obowiązku recenzenckiego muszę wymienić drobne uchybienie zauważone podczas lektury omawianego rozdziału. Na stronie 22, w jednym z wyrażeń, pojawia się wartość prawdopodobieństwa większa od 1 (dla P(m=1), P(m=-1)), nie powoduje to jednak żadnych reperkusji dla wyrażenia końcowego na rozkład rozważanej funkcji korelacji, gdyż określony on jest z dokładnością do stałego czynnika. Kolejny rozdział dyskutowanej części rozprawy jest opisem metody pomiaru korelacji kątowych dla jąder o spinach uporządkowanych w przestrzeni DCO (Directional Correlations from Oriented Nuclei). Także i tutaj Autorka przedstawia zagadnienie w sposób wyjątkowo przystępny, ilustrując metodę doskonałymi rysunkami. Ponieważ emisja następuje z jąder o nieizotropowym rozkładzie kierunków spinów, intensywność rejestracji kwantów gamma 1 i 2 w detektorach d1 i d2 zależała będzie od tego, czy detekcja 1 następuje w d1 a 2 w d2, czy odwrotnie efekt ten obrazuje stosunek intensywności koincydencji 1 i 2 w układzie (d1,d2) i (d2,d1) nazywany stosunkiem RDCO. Pani mgr Samorajczyk omawia szczegółowo również zagadnienie wykorzystania wielu par detektorów do pomiaru wartości RDCO dla zadanego kąta wynika to z symetrii funkcji korelacji kierunkowych. Bardzo pouczające jest prześledzenie zależności stosunku RDCO od wartości zmieszania jednego z przejść kaskady dla: i) różnych geometrii detektorów względem wiązki i tarczy, ii) różnych wartości uporządkowania spinów w produktach reakcji, iii) różnych spinów stanów populowanych w rozważanej kaskadzie, oraz, najważniejsze, od wartości samych spinów badanych stanów. Zaprezentowane zależności powalają na wyrobienie sobie intuicji na temat czułości metody DCO. Niewątpliwą dodatkową zaletą techniki DCO jest to, że polega ona na rejestracji koincydencji gamma-gamma, co w pomiarach na wiązce jest nieocenione dla obserwacji przejść z kaskad o mniejszej intensywności. W trakcie lektury tego fragmentu rozprawy zauważyłem jeden drobiazg: na rysunkach 3.4 i 3.5 kąt detektora szarego 1 jest zaznaczony nieprecyzyjnie. Omawiana wyżej część rozprawy pozwala rozpoznać w Doktorantce wspaniałego dydaktyka. Rozległy materiał dotyczący opisu korelacji kątowych promieniowania gamma przedstawiony jest w sposób zwarty, a jednocześnie przejrzysty, z doborem ciekawych i łatwych do śledzenia przykładów może stanowić doskonałe kompendium wiedzy dla studentów lub doktorantów na temat opisu i analizy rozkładów kątowych promieniowania gamma emitowanego bądź ze źródeł radioaktywnych, bądź na wiązce. 3
W rozdziale nr 4, który jest szczegółowym opisem wybranych zagadnień dotyczących analizy danych uzyskanych w pomiarach korelacji kątowych gamma, Autorka przygotowuje sobie narzędzia umożliwiające sprawne opracowanie danych doświadczalnych. Jednym z takich narzędzi jest program komputerowy służący do określania kątów zawartych między kierunkami do dowolnych dwóch detektorów układu EAGLE. Ten użyteczny kod komputerowy Doktorantka napisała sama prezentuje go w Dodatku 1. Zestawienie kątów pomiędzy wszystkimi parami detektorów obliczone za pomocą programu zawiera Dodatek 2. Ważnym elementem przy określaniu funkcji korelacji są czynniki korekcyjne uwzględniające skończony kąt bryłowy detektora. Pani mgr Samorajczyk oblicza te czynniki dla każdego detektora. Analizuje też ich zachowanie w funkcji energii kwantu gamma, w funkcji odległości detektora od źródła oraz w funkcji rozmiarów kryształu. W dalszej części rozdziału 4 Autorka zaznajamia czytelnika z techniką otrzymywania widm koincydencyjnych gamma szczególną uwagę zwraca na sposób określania niepewności przy wyznaczaniu powierzchni pików. Bardzo ważnym elementem określania funkcji korelacji kątowych jest uniezależnienie się od precyzyjnej znajomości wydajności poszczególnych detektorów, która jest trudna do osiągniecia. Pani Somorajczyk podaje rozwiązanie tego zagadnienia jest to możliwe, gdy w rozważanych parach detektorów jeden detektor jest wspólny oraz gdy w kaskadzie znajduje się para linii o znanej funkcji korelacji. Dużo miejsca Doktorantka poświęca opisowi wyznaczania wpływu na wyniki pomiaru koincydencji przypadkowych. Wyprowadza tutaj podstawowe zależności dotyczące stosunku koincydencji przypadkowych do rzeczywistych. Wykazuje, że w przypadku danych analizowanych w prezentowanych eksperymentach wpływ koincydencji przypadkowych na wyznaczenie stosunków liczb zliczeń koincydencyjnych nie jest znaczący. Ta część rozprawy pozwala rozpoznać w Doktorantce bardzo wnikliwego eksperymentatora starającego się w pełni rozumieć i kontrolować narzędzia analizy danych. Kolejne cztery rozdziały zawierają detaliczny opis analiz korelacji kątowych gamma prowadzonych na podstawie koincydencyjnych danych doświadczalnych otrzymanych z 4
użyciem systemu detekcyjnego EAGLE. Przedstawione są też tutaj dyskusje otrzymanych wyników. Rozdział 5 całkowicie poświęcony jest zapoznaniu się z metodą pomiaru i analizy korelacji kątowych na przykładzie kwantów gamma towarzyszących rozpadowi źródła 152 Eu wykorzystać można było w tym przypadku dobrze znane własności stanów jądrowych w produktach rozpadu 152 Gd i 152 Sm. Na wstępie Autorka skupia się na kaskadzie przejść 1299 kev i 344 kev łączącej stany 2, 2 + i 0 +. Określa funkcję korelacji gamma dla 10 kątów odpowiadających odpowiednio pogrupowanym parom detektorów. Po uwzględnieniu geometrycznych czynników korekcyjnych i dopasowaniu funkcji korelacji do danych eksperymentalnych otrzymuje współczynniki A22 i A44. Położenie punktu pomiarowego na płaszczyźnie A22 i A44 jest w pełni konsystentne z przyporządkowaniami spinów 2, 2 i 0 stanów, pomiędzy którymi zachodzą rozważane przejścia. Doktorantka skupia się więc na precyzyjnej analizie współczynnika zmieszania multipoli M2 i E1 dla przejścia 2 2+ dokonuje tego badając jakość dopasowania funkcji korelacji w zależności od za pomocą funkcji 2. W wyniku otrzymuje na wartość pozostającą w zgodzie z wartością literaturową i o znacznie mniejszej niepewności. Innym testem stosowanej metodologii opracowania danych było wyznaczenie funkcji korelacji kątowych w jądrze 152 Sm dla kilku takich par przejść gamma, które zawierają kwant gamma 121 kev emitowany ze stanu 2 + o czasie połowicznego zaniku 1.4 ns. Ten dość długi czas półrozpadu wzbudzenia 2 + przy energii 121 kev sprawia, że ustawienie spinów w tym stanie może zostać zaburzone zewnętrznymi polami elektromagnetycznymi, co będzie skutkowało osłabieniem korelacji. Biorąc pod uwagę znane z literatury przyporządkowania spinów i parzystości do stanów w 152 Sm, Autorka określa wartości współczynników atenuacji korelacji dla przejścia 121 kev. Wynik analizy korelacji kątowych przeprowadzonej przez Doktorantkę dla innej pary przejść z zastosowaniem tych współczynników jest w pełni zgodny z wartościami literaturowymi, co potwierdza poprawność zastosowanej procedury. Dokładne zapoznanie się z tą częścią pracy doktorskiej pozwala stwierdzić, że Pani mgr Samorajczyk jest doskonale przygotowana do przeprowadzenia złożonych analiz korelacji kątowych oraz użycia wyników tych analiz do charakteryzowania wcześniej niezbadanych własności stanów jądrowych. Możliwości takich analiz otwierają się w eksperymentach prowadzonych na wiązce cyklotronu w SLCJ UW z wykorzystaniem układu EAGLE. 5
Zgodnie z powyższą konkluzją w Rozdziale 6 Autorka podejmuje próbę weryfikacji oznaczeń spinu poziomów przy energii 991 kev i 1599 kev w jądrze 140 Sm, które na podstawie wcześniejszych badań posiadały przyporządkowania odpowiednio 0 + i 2 +. Inspiracją do podjęcia tematu były trudności w pogodzeniu powyższych oznaczeń z wynikami eksperymentu, w którym rozważane poziomy badane były za pomocą wzbudzenia kulombowskiego. W celu realizacji projektu przeprowadzono za pomocą spektrometru gamma EAGLE pomiar koincydencji gamma-gamma w reakcji 112 Cd( 32 S,p3n) 140 Eu z wykorzystaniem cyklotronu w ŚLCJ UW. Wzbudzone stany w jądrze 140 Sm zasilane było w rozpadzie + produktu reakcji 140 Eu. Kwanty gamma z 140 Sm, towarzyszące rozpadowi, rejestrowane były w przerwach (o czasie trwania 4 ms) między makropulsami wiązki. Zastosowano technikę korelacji kątowych kwantów gamma z jąder o spinach nieuporządkowanych. Do oceny wydajności na rejestrację poszczególnych przejść wykorzystano liczby zliczeń w pikach w widmie prostym. Analiza funkcji korelacji kątowych dla pary przejść 460 i 531 kev jednoznacznie wskazała na przyporządkowanie poziomowi przy 990 kev spinu J=2, co jest niezgodne z dotychczas przyjętą wartością J=0. Podobna analiza wykonana dla pary kwantów gamma 1068-531 kev wykazała, że poziom 1599 kev posiada spin 0, co jest rozbieżne z dotychczasowym schematem rozpadu. Autorka dodatkowo wykazuje nieobecność linii 352 kev w rozpadzie wzbudzenia 1599 kev, które byłoby niezgodne z nowym określeniem spinu. W omawianym rozdziale zauważyłem drobne uchybienia. We wzorze 6.2.4, w mianowniku lewej strony, powinno znajdować się T 2. Podobnie we wzorze 6.2.5 brakuje T po prawej stronie. To niedopatrzenie propaguje się na wszystkie wzory 6.2.6-6.2.9, ponieważ jednak jest absorbowane przez const w 6.2.9, nie wpływa na ostateczny wniosek. Chciałbym zauważyć, że przy prezentacji nowych wyników Autorka zawsze przeprowadza sprawdzenie poprawności stosowanej techniki analizy danych na znanych przypadkach. Świadczy to o bardzo rzetelnym podejściu Doktorantki do prowadzonych badań. W Rozdziale 7 zaprezentowane jest zastosowanie techniki korelacji kątowych do wyznaczenia współczynnika zmieszania dla przejścia łączącego znany izomer o spinie 8, rzucie spinu na oś symetrii jądra K=8 i czasie półrozpadu 9.4 ms, ze stanem J=6 + z K=0 w jądrze 130 Ba. W badanym przypadku stopień wzbronienia wynosi 5 jeżeli przejście ma charakter E3 lub 6 jest to M2 stąd informacja o zmieszaniu E3/M2 jest bardzo istotna dla weryfikacji modeli opisujących rozpady izomerów K. Badany izotop wyprodukowany został w 6
reakcji 122 Sn( 12 C,4n) 130 Ba na wiązce 12 C z cyklotronu w ŚLCJ UW. Koincydencje pomiędzy kwantami kaskady rejestrowano za pomocą układu EAGLE w przerwach o czasie trwania 4 ms pomiędzy makropulsami wiązki o długości 2 ms. Doktorantka analizowała wartości stosunku korelacji dla określonych par kątów, wykorzystując szereg kombinacji par przejść z kaskady czterech kwantów gamma. O ile na podstawie samej tylko analizy korelacji kątowych zgodne z wynikiem pomiaru były dwie wartości współczynnika zmieszania, o tyle po uwzględnieniu informacji z pomiaru elektronów konwersji wewnętrznej, który prowadzony był w tym samym eksperymencie, wynik był jednoznaczny: badane przejście izomeryczne 8 6+ okazało się być czystym przejściem M2 z możliwością ewentualnej domieszki E3 na poziomie 3%. Ostatni projekt jaki podejmuje Pani mgr Samorajczyk w pracy doktorskiej dotyczy pomiaru korelacji kątowych kwantów gamma emitowanych z jądra 124 Cs mówi o tym Rozdział 8. Jądro 124 Cs należy do tych nieparzysto-nieparzystych nuklidów, w których obserwuje się tzw. łamanie symetrii chiralnej. Oznaką tego zjawiska jest obecność dwóch, w przybliżeniu zdegenerowanych, pasm rotacyjnych z tymi samymi parzystościami i I=1. Wewnątrz pasm zachodzą przejścia E2 oraz M1, natomiast pomiędzy pasmami wyłącznie przejścia M1. Według przewidywań teorii przejścia z I=1 powinny mieć wyłącznie charakter M1, ale do tej pory w 124 Cs stopień ich zmieszania z E2 nie był znany. Doktorantka podejmuje wyzwanie. Używa danych koincydencyjnych z pomiaru reakcji 114 Cd( 14 N, 4n) 124 Cs przeprowadzonego na cyklotronie w ŚLCJ z użyciem spektrometru EAGLE. Ponieważ przejścia w pasmach chiralnych zachodzą tuż po reakcji (w skali pikosekund), Autorka stosuje metodę pomiaru korelacji kątowych dla jąder o spinach uporządkowanych, wykorzystując wcześniej opisaną technikę wyznaczania stosunku RDCO. Dla wszystkich analizowanych przejść z I=1 znajduje dwa rozwiązania, jedno odpowiadające prawie czystemu charakterowi E2 i drugie, które wskazuje na multipolowość wyłącznie M1. Powołując się na przewidywania teoretyczne, Pani Samorajczyk przyjmuje tę drugą interpretację, chociaż należy dodać, że jest to wniosek dość arbitralny, gdyż nie ma eksperymentalnych przesłanek, aby odrzucić możliwość E2. Na zakończenie Rozdziału 8 doktorantka przeprowadza ocenę wpływu koincydencji przypadkowych na wynik otrzymany dla RDCO w pasmach chiralnych. Stosuje ciekawą metodę wyznaczenia stosunków intensywności w widnie prostym oraz miary koincydencji przypadkowych, którą jest liczba zliczeń w danej linii, jeżeli koincydencyjna bramka jest postawiona na niej samej. W omawianej części pracy doktorskiej w szczególny sposób 7
odzwierciedla się entuzjastyczne, a jednocześnie bardzo rzetelne podejście Doktorantki do prowadzonych analiz. Rozprawę doktorską zamykają Podsumowanie, dwa dodatki, Dodatek 1 i Dodatek 2, które omawiane były wcześniej, i wykaz cytowanych prac zawierający 57 pozycji. Podsumowując, pragnę stwierdzić, że Doktorantce należą się słowa szczególnego uznania za niezwykle klarowną i posiadającą wysokie walory edukacyjne prezentację tematyki związanej z metodami określania spinów stanów wzbudzonych, które wykorzystują technikę korelacji kierunkowych kwantów gamma rejestrowanych przez wielodetektorowy spektrometr w reakcjach na wiązce ciężkich jonów. Warsztat analizy danych stworzony przez Panią mgr Samorajczyk umożliwia sprawne i wiarygodne określanie lub weryfikację oznaczeń spinu stanów wzbudzonych w jądrach produkowanych na wiązce cyklotronu warszawskiego, kiedy używany jest układ EAGLE. Ta możliwość może być wykorzystywana do rozwiązywania np. istniejących kontrowersji dotyczących prawidłowości przyporządkowania spinu, lub do przeprowadzenia nowych oznaczeń spinu stanów lub zmieszania przejść zwłaszcza wtedy, gdy oznaczenia te są kluczowym elementem weryfikacji modeli teoretycznych. Chciałbym wyraźnie podkreślić fakt, że ta tak owocna praca w całości wykonana została na bazie danych eksperymentalnych uzyskanych w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego. Stanowi to wspaniały przykład i zachętę wykorzystywania potencjału polskiego laboratorium dla kolejnych generacji studentów fizyki. Drobne uwagi zamieszczone w recenzji w żaden sposób nie podważają dużej wartości metodycznej i poznawczej dysertacji. Praca doktorska, moim zdaniem, w pełni spełnia wymagania stawiane dysertacjom na stopień doktora nauk fizycznych i wnioskuję o dopuszczenie Pani mgr Justyny Samorajczyk do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Jednocześnie, biorąc pod uwagę bardzo wysokie walory poznawcze i metodyczne pracy, wnoszę wniosek do Rady Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Łódzkiego o wyróżnienie rozprawy doktorskiej Pani mgr Samorajczyk. Bogdan Fornal 8