Visualisation 4D d'une radioactivité proton

Publié par Redbran le 01/10/2021 à 13:00
Source: CEA IRFU
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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) (4e dimension) de décroissance. Cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) représente un test unique des modèles théoriques, car elle permet de sonder des composantes extrêmement faibles des fonctions d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) 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 (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'une publication dans Nature Communications1.

La radioactivité proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) 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 (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) 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 (En physique des particules, l'isospin est une symetrie de l'intéraction forte qui est...), qui stipule (En botanique, les stipules sont des pièces foliaires, au nombre de deux, en forme de feuilles...) que protons et neutrons sont équivalents (à l'exception de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) 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 ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) 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 (La physique nucléaire est la science qui étudie non seulement le noyau atomique en tant...): ACTAR TPC2. Il s'agit d'un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) gazeux fonctionnant sur le principe d'une chambre à projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de...) temporelle. Lorsque des particules chargées - ici les protons émis - traversent le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...), elles créent un signal d'ionisation le long de leur trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...). 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 (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une...), la trajectoire est reconstruite en 3 dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...).

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 (Le béryllium est un élément chimique de symbole Be et de numéro atomique 4....). Les collisions violentes produisent de nombreux types de noyaux, dont 54Ni, qui est sélectionné par le spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant de décomposer une quantité...) LISE3 (composé d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) 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 (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...). En effet, lorsque l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) s'arrête dans le détecteur, il dépose une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) environ 1000 fois plus grande que l'énergie du proton. Celui-ci est émis en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) 150 milliardièmes de secondes après l'implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :), ce qui rend impossible de distinguer le faible signal du proton de celui de l'ion.


Figure 2. Principe de la reconstruction des trajectoires du noyau implanté et du proton émis. La longueur de la trace (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de...) du proton (3D) est caractéristique de l'énergie avec laquelle il est émis. La différence, sur l'axe vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...) (axe de dérive du signal vers le plan de collection), entre le point (Graphie) d'arrêt de l'ion et le début de la trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le...) proton, mesure le temps au bout duquel le proton est émis (qui permet de mesurer la durée de vie (La vie est le nom donné :) de l'état isomérique de 54Ni).

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).

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.

Références:
1 https://www.nature.com/articles/s41467-021-24920-0.
2 https://www.ganil-spiral2.eu/scientists/ganil-spiral-2-facilities/instrumentation/actar/

Contacts:
J. Giovinazzo (giovinaz at cenbg.in2p3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de...).fr)
T. Roger (thomas.roger at ganil.fr)
D. Rudolph (dirk.rudolph at nuclear.lu.se)
B. Blank (blank at cenbg.in2p3.fr)
Cet article vous a plu ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !
Page générée en 0.036 seconde(s) - site hébergé chez Contabo
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique