Calibrage par désintégration : comment le silicium-25 révèle la précision du FRIB
Contexte
L'étude de l'émission de particules chargées après désintégration bêta dans les noyaux riches en protons donne un accès direct à la distribution de la force de Gamow-Teller, à la brisure de la symétrie d'isospin et aux propriétés des états non liés hautement excités. Cependant, les mesures précises de ces désintégrations se sont longtemps heurtées à des limitations expérimentales : impuretés dans le faisceau, sommation de l'énergie des particules bêta et dégradation de la résolution due à des cibles d'arrêt épaisses. La nouvelle combinaison du séparateur ARIS et du piège à gaz cryogénique ACGS au FRIB résout ces problèmes en fournissant des faisceaux d'ions radioactifs de basse énergie et de haute pureté. Ce travail s'inscrit dans le cadre des recherches sur les sursauts radio rapides et les étoiles à neutrons, où une spectroscopie nucléaire précise est nécessaire pour comprendre les processus dans des conditions extrêmes.
Méthodes
Un faisceau d'argon-36 a été accéléré à 210 MeV par nucléon et dirigé sur une cible de carbone. Les noyaux de silicium-25 produits ont été séparés dans le séparateur ARIS, ralentis dans le piège à gaz ACGS, puis implantés dans une fine feuille de carbone de 150 nanomètres d'épaisseur. Autour de la feuille, six télescopes en silicium (un détecteur ΔE mince et un détecteur E épais) et deux détecteurs en germanium ont été disposés. En quatre heures, 780 000 protons ont été collectés. L'énergie des protons a été reconstruite en tenant compte des pertes dans la feuille et dans les couches mortes des détecteurs, en utilisant les tables SRIM. L'étalonnage a été effectué à partir des raies protoniques connues de la désintégration du silicium-25.
Résultats
Un spectre de protons émis après désintégration bêta a été obtenu avec une résolution d'environ 3 keV, ce qui a permis de séparer des transitions auparavant indistinguables. De nouvelles transitions protoniques de haute énergie ont été découvertes, notamment un niveau d'énergie d'excitation de 9008 keV dans l'aluminium-25. Les peuplements des états excités du magnésium-24 ont été précisés : les transitions vers le premier état excité 2+ sont plus fréquentes que vers l'état fondamental 0+. Les motifs d'interférence des raies protoniques ont fourni des spins et parités fiables pour les états hautement excités de l'aluminium-25. La distribution de la force bêta a été extraite jusqu'à une énergie de 10 MeV, proche de la limite de la valeur Q de la capture électronique. La force de Gamow-Teller expérimentale nécessite un facteur de suppression de 0.75, inférieur à la valeur standard de 0.60.
Implications
Ce travail démontre que le faisceau arrêté au FRIB permet d'atteindre une résolution et une sensibilité inaccessibles auparavant pour la spectroscopie bêta retardée dans cette région de masse. Contrairement aux travaux voisins portant sur les sursauts radio rapides ou la diffusion des étoiles à neutrons, c'est ici la première fois qu'une méthode de spectroscopie de précision des particules chargées utilisant un piège à gaz cryogénique est validée. Cela ouvre la voie à l'étude de noyaux à la limite de la stabilité protonique, tels que les candidats au halo protonique aluminium-22 et phosphore-26.
Développements futurs
Avec l'augmentation de la puissance du faisceau du FRIB et l'amélioration du transport des ions, il deviendra possible d'étalonner les détecteurs E épais avec des protons de plus grande statistique, ce qui améliorera la précision. La méthode pourra être étendue à des noyaux plus exotiques, y compris ceux où une émission directe de deux protons est attendue. Une analyse détaillée de la forme des raies est prévue pour extraire la contribution de la force de Gamow-Teller dans le résonateur analogique isobarique.
Impact
La méthode est applicable à l'étalonnage des détecteurs et à l'étude de la structure nucléaire dans les expériences avec des faisceaux arrêtés d'ions radioactifs. Les résultats sur la force bêta sont importants pour l'astrophysique, en particulier pour le calcul des taux de réactions dans les étoiles.
Prochaines étapes
Effectuer des mesures de protons émis après désintégration bêta pour l'aluminium-22 et le phosphore-26 en utilisant le même dispositif. Accumuler plus de statistique pour analyser la partie de haute énergie du spectre et vérifier les effets d'interférence.
Problèmes ouverts clés
Ce travail est directement lié au problème de la suppression de la force de Gamow-Teller dans les noyaux riches en protons. Le facteur de suppression observé de 0.75 au lieu de la valeur standard de 0.60 indique une possible dépendance de la suppression par rapport à l'éloignement de la ligne de stabilité, ce qui nécessite des recherches supplémentaires.
Le silicium-25, utilisé comme source de calibrage, a une demi-vie de seulement 219 millisecondes, mais en quatre heures de mesures, 780 000 protons ont pu être collectés grâce à la haute intensité du faisceau.
Chiffres clés
- Demi-vie du silicium-25: 219.2 ms
- Nombre de protons enregistrés: 7.8×105
- Résolution en énergie: environ 3 keV
- Épaisseur de la feuille de carbone: 150 nm
- Facteur de suppression de la force de Gamow-Teller: 0.75