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J. Giovinazzo (giovinaz@cenbg.in2p3.fr)
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B. Blank (blank@cenbg.in2p3.fr)

référence
"Giovinazzo, J., Roger, T., Blank, B. et al. 4D-imaging of drip-line radioactivity by detecting proton emission from 54mNi pictured with ACTAR TPC. Nat Commun 12, 4805 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24920-0".
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Visualisation 4D d’une radioactivité proton avec ACTAR TPC

Une expérience réalisée au GANIL avec le nouveau dispositif de détection ACTAR TPC a permis de développer une nouvelle technique de visualisation directe des trajectoires (en 3D) des protons émis par l’état isomérique du noyau 54Ni ainsi que leur temps (4e dimension) de décroissance. Cette observation représente un test unique des modèles théoriques, car elle permet de sonder des composantes extrêmement faibles des fonctions d’ondes qui décrivent la structure de ce noyau, et cette technique est envisagée pour mesurer d’autres décroissances similaires. Le résultat de cette expérience a fait l’objet d’une publication dans Nature Communications[1].

La radioactivité proton de l’état isomérique de 54Ni

Le phénomène de radioactivité par émission d’un proton est connu depuis 50 ans. Ce processus permet notamment de caractériser les limites de la table des noyaux atomiques. Dans le cas de 54Ni, l’émission a lieu depuis un état isomérique (de spin 10+) : il s’agit d’un état particulier, métastable. La décroissance de cet état peut être comparée à celle d’un état équivalent dans le noyau 54Fe, plus stable et mieux connu. Ces 2 noyaux sont dit « miroirs », car ils ont des nombres de neutrons et protons inversés, et présentent des propriétés très similaires en raison de la symétrie d’isospin, qui stipule que protons et neutrons sont équivalents (à l’exception de la charge électrique). Sur le plan théorique, le modèle en couches permet de décrire précisément l’état 10+ de 54Fe, mais pas celui de 54Ni, en raison de l’émission de proton qui n’avait pas pu être observée par les techniques habituelles.

L’observation complète des émissions de protons reportée dans cette article a permis de mettre en évidence, sur le plan théorique, que le processus est sensible à des composantes extrêmement faibles des fonctions d’ondes décrivant cet état.

Figure 1. Dispositif ACTAR TPC installé en bout de la ligne LISE3 du GANIL. L’insert montre l’intérieur du dispositif, avec la cage servant à générer un champ électrique pour faire dériver le signal d’ionisation vers le plan de collection.

Une nouvelle technique expérimentale

Pour observer cette émission de protons, il a été nécessaire d’utiliser un instrument nouvellement développé pour la physique nucléaire : ACTAR TPC[1]. Il s’agit d’un détecteur gazeux fonctionnant sur le principe d’une chambre à projection temporelle. Lorsque des particules chargées – ici les protons émis – traversent le volume de gaz, elles créent un signal d’ionisation le long de leur trajectoire. Ce signal est « projeté » et mesuré sur une matrice 2D de « pixels » (plan de collection), et à l’aide du temps de dérive du signal sur chaque pixel, la trajectoire est reconstruite en 3 dimensions.

Cet instrument a été installé sur la ligne LISE3 du GANIL (Figure 1), qui a été utilisée pour produire les noyaux 54Ni (instables) en bombardant un faisceau de 58Ni (stable) sur une cible de béryllium. Les collisions violentes produisent de nombreux types de noyaux, dont 54Ni, qui est sélectionné par le spectromètre LISE3 (composé d’un ensemble d’éléments magnétiques et électriques), pour être implanté dans le volume de gaz du dispositif ACTAR TPC. Néanmoins, seule une petite fraction, de l’ordre de 1 pour 1000, des noyaux de 54Ni sont produits dans l’état isomérique étudié. Les quelques 2 millions de noyaux identifiés ont alors permis d’observer l’émission d’environ 2500 protons provenant de deux transitions clairement identifiées.

L’observation en 4D des protons émis

L’observation directe des protons de la décroissance de l’état isomérique de 54Ni n’était pas possible avec les techniques de détection employées habituellement dans ce type d’expériences, utilisant des détecteurs solides en silicium. En effet, lorsque l’ion s’arrête le détecteur, il dépose une énergie environ 1000 fois plus grande que l’énergie du proton. Celui-ci est émis en moyenne 150 milliardièmes de secondes après l’implantation, ce qui rend impossible de distinguer le faible signal du proton de celui de l’ion.

L’utilisation d’ACTAR TPC pour la reconstruction en 3D des trajectoires a permis de contourner ce problème : le signal des protons, émis dans n’importe quelle direction, est mesuré sur des pixels du plan de collection différents de ceux qui collectent le signal d’implantation de l’ion (Figure 2).


Figure 2. Principe de la reconstruction des trajectoires du noyau implanté et du proton émis. La longueur de la trace du proton (3D) est caractéristique de l’énergie avec laquelle il est émis. La différence, sur l’axe vertical (axe de dérive du signal vers le plan de collection), entre le point d’arrêt de l’ion et le début de la trace proton, mesure le temps au bout duquel le proton est émis (qui permet de mesurer la durée de vie de l’état isomérique de 54Ni).

En raison de la durée de vie de l’état étudié, le proton est émis alors que le signal de l’ion a déjà commencé à dériver vers le plan de collection. De ce fait, un décalage est observé (sur l’axe vertical qui est l’axe de projection temporelle) entre le point d’implantation de l’ion et le point d’émission du proton. Ce décalage permet alors de mesurer la durée de vie de l’état isomérique. En plus de la longueur des traces des protons qui est directement liée à leur énergie, la mesure de durée de vie vient compléter l’image complète de la décroissance de cet état, pour un test très poussé des modèles théoriques.

 

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-021-24920-0

[2] https://www.ganil-spiral2.eu/scientists/ganil-spiral-2-facilities/instrumentation/actar/