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Calibrage par désintégration : comment le silicium-25 révèle la précision du FRIB

Original: "Precision $$β$$-delayed charged-particle emission spectroscopy at FRIB: Proof of principle with the $$β$$-decay of $$^{25}\mathrm{Si}$$"
· E. A. M. Jensen, J. M. Eder, P. H. Pedersen, A. Adams, M. J. G. Borge, B. A. Brown, J. Dopfer, H. O. U. Fynbo, B. S. O. Johansson, B. Jonson, M. Madurga, J. S. Nielsen, K. Riisager, C. S. Sumithrarachchi, L. J. Sun, O. Tengblad, L. E. Weghorn, T. Wheeler, C. Wrede
arXiv:2609.07799v1 · 2026-09-07 · CC BY 4.0 · 2 min
Expérimentation nucléaire Théorie nucléaire
Les protons émis après désintégration bêta du silicium-25 servent de référence pour une nouvelle technique de spectroscopie de précision sur l'accélérateur FRIB.

Le silicium-25 ne vit que 219 millisecondes. Pendant ce temps, il émet une particule bêta, puis parfois un proton. Ce sont précisément ces protons, éjectés du noyau après la désintégration bêta, qui sont devenus l'étalon de calibration pour un nouveau microscope que les physiciens ont assemblé sur l'accélérateur FRIB.

Un étalon de calibration, c'est comme vérifier un nouveau microscope avec un échantillon connu : si vous voyez ce que vous savez déjà, l'instrument fonctionne correctement.

Auparavant, les mesures précises des protons émis après désintégration bêta se heurtaient à deux problèmes : les impuretés dans le faisceau et les cibles épaisses qui dégradaient la résolution en énergie. Désormais, un faisceau d'argon-36 est accéléré à 210 MeV par nucléon, frappe une cible de carbone, et le silicium-25 produit est séparé dans le séparateur magnétique ARIS. Ensuite, les ions sont ralentis dans le stoppeur à gaz cryogénique ACGS et implantés dans une feuille de carbone de 150 nanomètres d'épaisseur, plus fine que la paroi d'une bulle de savon.

Autour de la feuille se trouvent six télescopes en silicium et deux détecteurs en germanium. En quatre heures, ils ont collecté 780 000 protons. L'énergie de chaque proton a été reconstruite en tenant compte des pertes dans la feuille et dans les couches mortes des détecteurs, à l'aide des tables SRIM. Le résultat est un spectre avec une résolution d'environ 3 keV, ce qui équivaut à distinguer des cheveux individuels sur une tête humaine à un kilomètre de distance.

La résolution de 3 keV a permis de voir des transitions qui, auparavant, se fondaient en un seul pic. Parmi elles, un niveau d'énergie d'excitation de 9008 keV dans l'aluminium-25.

Les nouvelles données montrent que les transitions vers le premier état excité du magnésium-24 sont plus fréquentes que vers l'état fondamental. Les motifs d'interférence des raies protoniques ont fourni des spins et parités fiables pour les états très excités de l'aluminium-25. Et la force bêta extraite jusqu'à une énergie de 10 MeV a nécessité un facteur de suppression de 0.75 au lieu de 0.60. Cela signifie que la suppression de la force de Gamow-Teller dépend de l'éloignement du noyau par rapport à la ligne de stabilité.

La méthode est prête à travailler avec des noyaux plus exotiques, tels que l'aluminium-22 et le phosphore-26, soupçonnés de posséder un halo protonique. Le même étalon de calibration qui a vérifié le nouveau microscope révélera désormais des détails que personne n'avait vus auparavant.

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.

E_p = \frac{M}{M+m} (E_i - E_f - S_p)
L'énergie du proton est égale à la différence entre les énergies des états initial et final moins l'énergie de séparation du proton, multipliée par le facteur de masse.
B_\beta(E_{ex}) = \frac{BR \, T_{1/2}}{f \, t_{1/2}}
La force bêta est proportionnelle au rapport d'embranchement multiplié par la demi-vie, divisé par le facteur de phase et la demi-vie.