{"id":3898,"date":"2021-09-24T17:05:37","date_gmt":"2021-09-24T15:05:37","guid":{"rendered":"https:\/\/www.ganil-spiral2.eu\/?p=3898"},"modified":"2021-10-01T09:28:55","modified_gmt":"2021-10-01T07:28:55","slug":"4d-visualisation-of-a-proton-radioactivity-with-actar-tpc","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.ganil-spiral2.eu\/fr\/2021\/09\/24\/4d-visualisation-of-a-proton-radioactivity-with-actar-tpc\/","title":{"rendered":"Visualisation 4D d\u2019une radioactivit\u00e9 proton avec ACTAR TPC"},"content":{"rendered":"\n

Une exp\u00e9rience r\u00e9alis\u00e9e au GANIL avec le nouveau dispositif de d\u00e9tection ACTAR TPC a permis de d\u00e9velopper une nouvelle technique de visualisation directe des trajectoires (en 3D) des protons \u00e9mis par l\u2019\u00e9tat isom\u00e9rique du noyau 54<\/sup>Ni ainsi que leur temps (4e<\/sup> dimension) de d\u00e9croissance. Cette observation repr\u00e9sente un test unique des mod\u00e8les th\u00e9oriques, car elle permet de sonder des composantes extr\u00eamement faibles des fonctions d\u2019ondes qui d\u00e9crivent la structure de ce noyau, et cette technique est envisag\u00e9e pour mesurer d\u2019autres d\u00e9croissances similaires. Le r\u00e9sultat de cette exp\u00e9rience a fait l\u2019objet d\u2019une publication dans Nature Communications[1]<\/a>.<\/p>\n

La radioactivit\u00e9 proton de l\u2019\u00e9tat isom\u00e9rique de 54<\/sup>Ni<\/strong><\/p>\n

Le ph\u00e9nom\u00e8ne de radioactivit\u00e9 par \u00e9mission d\u2019un proton est connu depuis 50 ans. Ce processus permet notamment de caract\u00e9riser les limites de la table des noyaux atomiques. Dans le cas de 54<\/sup>Ni, l\u2019\u00e9mission a lieu depuis un \u00e9tat isom\u00e9rique (de spin 10+<\/sup>) : il s\u2019agit d\u2019un \u00e9tat particulier, m\u00e9tastable. La d\u00e9croissance de cet \u00e9tat peut \u00eatre compar\u00e9e \u00e0 celle d\u2019un \u00e9tat \u00e9quivalent dans le noyau 54<\/sup>Fe, plus stable et mieux connu. Ces 2 noyaux sont dit \u00ab miroirs \u00bb, car ils ont des nombres de neutrons et protons invers\u00e9s, et pr\u00e9sentent des propri\u00e9t\u00e9s tr\u00e8s similaires en raison de la sym\u00e9trie d\u2019isospin, qui stipule que protons et neutrons sont \u00e9quivalents (\u00e0 l\u2019exception de la charge \u00e9lectrique). Sur le plan th\u00e9orique, le mod\u00e8le en couches permet de d\u00e9crire pr\u00e9cis\u00e9ment l\u2019\u00e9tat 10+<\/sup> de 54<\/sup>Fe, mais pas celui de 54<\/sup>Ni, en raison de l\u2019\u00e9mission de proton qui n\u2019avait pas pu \u00eatre observ\u00e9e par les techniques habituelles.<\/p>\n

L\u2019observation compl\u00e8te des \u00e9missions de protons report\u00e9e dans cette article a permis de mettre en \u00e9vidence, sur le plan th\u00e9orique, que le processus est sensible \u00e0 des composantes extr\u00eamement faibles des fonctions d\u2019ondes d\u00e9crivant cet \u00e9tat.<\/p>\n\n\n\n

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<\/a>Figure <\/a>1. Dispositif ACTAR TPC install\u00e9 en bout de la ligne LISE3 du GANIL. L\u2019insert montre l\u2019int\u00e9rieur du dispositif, avec la cage servant \u00e0 g\u00e9n\u00e9rer un champ \u00e9lectrique pour faire d\u00e9river le signal d\u2019ionisation vers le plan de collection.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Une nouvelle technique exp\u00e9rimentale<\/strong><\/p>\n

Pour observer cette \u00e9mission de protons, il a \u00e9t\u00e9 n\u00e9cessaire d\u2019utiliser un instrument nouvellement d\u00e9velopp\u00e9 pour la physique nucl\u00e9aire : ACTAR TPC[1]<\/a>. Il s\u2019agit d\u2019un d\u00e9tecteur gazeux fonctionnant sur le principe d\u2019une chambre \u00e0 projection temporelle. Lorsque des particules charg\u00e9es \u2013 ici les protons \u00e9mis \u2013 traversent le volume de gaz, elles cr\u00e9ent un signal d\u2019ionisation le long de leur trajectoire. Ce signal est \u00ab projet\u00e9 \u00bb et mesur\u00e9 sur une matrice 2D de \u00ab pixels \u00bb (plan de collection), et \u00e0 l\u2019aide du temps de d\u00e9rive du signal sur chaque pixel, la trajectoire est reconstruite en 3 dimensions.<\/p>\n

Cet instrument a \u00e9t\u00e9 install\u00e9 sur la ligne LISE3 du GANIL (Figure 1), qui a \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9e pour produire les noyaux 54<\/sup>Ni (instables) en bombardant un faisceau de 58<\/sup>Ni (stable) sur une cible de b\u00e9ryllium. Les collisions violentes produisent de nombreux types de noyaux, dont 54<\/sup>Ni, qui est s\u00e9lectionn\u00e9 par le spectrom\u00e8tre LISE3 (compos\u00e9 d\u2019un ensemble d\u2019\u00e9l\u00e9ments magn\u00e9tiques et \u00e9lectriques), pour \u00eatre implant\u00e9 dans le volume de gaz du dispositif ACTAR TPC. N\u00e9anmoins, seule une petite fraction, de l\u2019ordre de 1 pour 1000, des noyaux de 54<\/sup>Ni sont produits dans l\u2019\u00e9tat isom\u00e9rique \u00e9tudi\u00e9. Les quelques 2 millions de noyaux identifi\u00e9s ont alors permis d\u2019observer l\u2019\u00e9mission d\u2019environ 2500 protons provenant de deux transitions clairement identifi\u00e9es.<\/p>\n

L\u2019observation en 4D des protons \u00e9mis<\/strong><\/p>\n

L\u2019observation directe des protons de la d\u00e9croissance de l\u2019\u00e9tat isom\u00e9rique de 54<\/sup>Ni n\u2019\u00e9tait pas possible avec les techniques de d\u00e9tection employ\u00e9es habituellement dans ce type d\u2019exp\u00e9riences, utilisant des d\u00e9tecteurs solides en silicium. En effet, lorsque l\u2019ion s\u2019arr\u00eate le d\u00e9tecteur, il d\u00e9pose une \u00e9nergie environ 1000 fois plus grande que l\u2019\u00e9nergie du proton. Celui-ci est \u00e9mis en moyenne 150 milliardi\u00e8mes de secondes apr\u00e8s l\u2019implantation, ce qui rend impossible de distinguer le faible signal du proton de celui de l\u2019ion.<\/p>\n

L\u2019utilisation d\u2019ACTAR TPC pour la reconstruction en 3D des trajectoires a permis de contourner ce probl\u00e8me : le signal des protons, \u00e9mis dans n\u2019importe quelle direction, est mesur\u00e9 sur des pixels du plan de collection diff\u00e9rents de ceux qui collectent le signal d\u2019implantation de l\u2019ion (Figure 2).<\/p>\n\n\n\n

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<\/a>Figure <\/a>2. Principe de la reconstruction des trajectoires du noyau implant\u00e9 et du proton \u00e9mis. La longueur de la trace du proton (3D) est caract\u00e9ristique de l\u2019\u00e9nergie avec laquelle il est \u00e9mis. La diff\u00e9rence, sur l\u2019axe vertical (axe de d\u00e9rive du signal vers le plan de collection), entre le point d\u2019arr\u00eat de l\u2019ion et le d\u00e9but de la trace proton, mesure le temps au bout duquel le proton est \u00e9mis (qui permet de mesurer la dur\u00e9e de vie de l\u2019\u00e9tat isom\u00e9rique de 54<\/sup>Ni).<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

En raison de la dur\u00e9e de vie de l\u2019\u00e9tat \u00e9tudi\u00e9, le proton est \u00e9mis alors que le signal de l\u2019ion a d\u00e9j\u00e0 commenc\u00e9 \u00e0 d\u00e9river vers le plan de collection. De ce fait, un d\u00e9calage est observ\u00e9 (sur l\u2019axe vertical qui est l\u2019axe de projection temporelle) entre le point d\u2019implantation de l\u2019ion et le point d\u2019\u00e9mission du proton. Ce d\u00e9calage permet alors de mesurer la dur\u00e9e de vie de l\u2019\u00e9tat isom\u00e9rique. En plus de la longueur des traces des protons qui est directement li\u00e9e \u00e0 leur \u00e9nergie, la mesure de dur\u00e9e de vie vient compl\u00e9ter l\u2019image compl\u00e8te de la d\u00e9croissance de cet \u00e9tat, pour un test tr\u00e8s pouss\u00e9 des mod\u00e8les th\u00e9oriques.<\/p>\n

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[1]<\/a> https:\/\/www.nature.com\/articles\/s41467-021-24920-0<\/p>\n

[2]<\/a> https:\/\/www.ganil-spiral2.eu\/scientists\/ganil-spiral-2-facilities\/instrumentation\/actar\/<\/p>\n