Precision $\beta$-delayed charged-particle emission spectroscopy at FRIB: Proof of principle with the $\beta$-decay of $^{25}\mathrm{Si}$

Au cœur de l'univers réside une tension fondamentale entre les forces qui maintiennent les noyaux atomiques ensemble et les forces qui tentent de les déchirer. Dans les atomes stables qui composent notre monde, ces forces sont en un équilibre délicat. Cependant, lorsque les scientifiques créent des versions instables et riches en protons de ces atomes en laboratoire, ils constatent souvent que le noyau est si désireux d'atteindre un état plus stable qu'il recrache des particules presque immédiatement après qu'un neutron s'est transformé en proton. Ce processus, connu sous le nom d'émission de particules retardée par désintégration bêta, agit comme une sonde sensible, révélant l'architecture cachée du noyau et la manière dont les briques élémentaires de la matière s'organisent dans des conditions extrêmes. Comprendre ces moments éphémères est crucial pour cartographier les limites de l'existence nucléaire et tester les théories qui décrivent comment les éléments ont été forgés dans les étoiles. Pourtant, observer ces événements avec suffisamment de clarté pour en voir les détails fins a longtemps été un défi, souvent obscurci par les outils mêmes utilisés pour les capturer.

Une équipe de chercheurs a maintenant démontré une nouvelle façon de capturer ces événements nucléaires fugaces avec une clarté sans précédent, en utilisant une installation dans le Michigan conçue pour créer des isotopes rares. En se concentrant sur un atome instable spécifique appelé silicium-25, les scientifiques ont pu reconstruire sa désintégration avec une précision qui n'avait jamais été atteinte auparavant. Ils n'ont pas simplement observé que l'atome se brisait ; ils ont cartographié exactement comment il se brisait, identifiant de nouvelles voies que le noyau emprunte pour libérer de l'énergie et confirmant les formes et les spins spécifiques des états par lesquels il passe sur son chemin vers la stabilité. Ce travail sert de preuve de concept, prouvant que la nouvelle infrastructure de la Facility for Rare Isotope Beams peut fournir les données de haute qualité nécessaires pour étudier les formes les plus exotiques de la matière.

L'expérience a commencé avec un faisceau d'atomes d'argon, qui ont été projetés contre une cible pour créer un cocktail de divers isotopes rares, incluant le silicium-25 que l'équipe souhaitait étudier. Ce faisceau a ensuite été ralenti et purifié à l'aide d'un système spécialisé qui refroidit les atomes et les arrête dans une fine feuille de carbone, les piégeant ainsi dans un point minuscule et propre. Autour de cette feuille se trouvait un réseau compact de détecteurs de silicium, disposés comme les faces d'un cube, conçu pour capturer les particules chargées qui s'échappent lorsque les atomes de silicium se désintègrent. Deux grands détecteurs de germanium se trouvaient à proximité pour capturer les rayons gamma, une forme de lumière de haute énergie, qui sont également émis. Le but était de créer une configuration où la source de la désintégration soit si mince et les détecteurs si précis que l'énergie de chaque particule s'échappant puisse être mesurée sans les effets de flou qui compliquent habituellement de telles expériences.

Au cours de quatre heures, l'équipe a enregistré des centaines de milliers d'événements de désintégration. À mesure que les atomes de silicium-25 se désintégraient, ils se transformaient en aluminium-25, qui perdait ensuite immédiatement des protons pour devenir du magnésium-24. Les détecteurs de silicium agissaient comme un appareil photo à haute résolution, capturant la vitesse et la direction de ces protons. Parce que les détecteurs étaient si finement segmentés, les chercheurs pouvaient distinguer les protons qui s'arrêtaient dans la première couche du détecteur de ceux qui traversaient jusqu'à la seconde couche. Cela leur a permis de reconstruire l'énergie originale des protons avec une précision remarquable, en corrigeant la minuscule quantité d'énergie perdue lors de leur passage à travers la feuille de carbone et les matériaux du détecteur. Le résultat fut une image claire et nette des niveaux d'énergie impliqués dans la désintégration, révélant des caractéristiques que les expériences précédentes avaient manquées ou confondues.

Les données ont permis aux chercheurs de mettre à jour la carte de désintégration du silicium-25, identifiant de nouvelles transitions de protons à haute énergie qui n'avaient jamais été vues auparavant. Ils ont été capables de résoudre des pics dans les données qui étaient auparavant mélangés, les séparant en événements distincts. Cette clarté a permis d'attribuer des propriétés spécifiques, telles que le spin et la parité, à des états hautement excités du noyau d'aluminium-25. Le spin, dans ce contexte, fait référence au moment angulaire intrinsèque du noyau, une propriété quantique qui dicte son comportement, tandis que la parité décrit sa symétrie. En observant comment les protons interféraient les uns avec les autres lors de leur émission, l'équipe a pu attribuer fermement ces propriétés à des états qui étaient auparavant incertains. Ils ont également constaté que l'intensité des émissions de protons variait d'une manière suggérant que le noyau était déformé, ou étiré, plutôt que parfaitement sphérique, et que ces déformations influençaient les voies que prenait la désintégration.

L'un des résultats les plus significatifs fut la capacité de mesurer la force totale de la désintégration bêta, ce qui indique la probabilité que la transformation se produise à différents niveaux d'énergie. Les chercheurs ont comparé leurs résultats expérimentaux avec de grandes simulations informatiques basées sur le modèle en couches, une théorie qui décrit comment les protons et les neutrons remplissent les niveaux d'énergie au sein du noyau. Ils ont trouvé que les données expérimentales concordaient bien avec la théorie, mais seulement si les prédictions théoriques étaient ajustées par un facteur spécifique. Cet ajustement, appelé "quenching" (amortissement), tient compte du fait que le noyau réel est légèrement plus complexe que le modèle simple le suggère. L'équipe a noté que la quantité d'amortissement requise pour ce noyau riche en protons était légèrement différente de ce que l'on observe typiquement dans les noyaux stables, suggérant que le comportement de ces atomes exotiques pourrait changer à mesure qu'ils s'approchent de la limite de l'existence.

L'étude a également clarifié plusieurs questions de longue date concernant la désintégration du silicium-25. Les chercheurs ont écarté l'existence de certaines voies de désintégration qui avaient été suggérées dans des travaux antérieurs, montrant que certains pics, que l'on pensait provenir de niveaux d'énergie élevés spécifiques, étaient en réalité causés par des transitions différentes de plus basse énergie. Ils ont confirmé que le noyau n'émet pas de particules alpha, un type de noyau d'hélium, dans ce processus de désintégration, et ils ont établi des limites strictes sur la fréquence à laquelle certaines transitions rares se produisent. En combinant les nouvelles données sur les protons avec les informations existantes sur les rayons gamma, ils ont produit un schéma de désintégration complet qui sert de référence fiable pour les expériences futures. Ce schéma agit comme un étalon de calibration, permettant à d'autres scientifiques d'utiliser le silicium-25 pour vérifier la précision de leurs propres détecteurs et installations.

En fin de compte, ce travail démontre que la combinaison de la purification avancée des faisceaux et de détecteurs hautement granulaires peut débloquer un nouveau niveau de précision en physique nucléaire. La capacité d'arrêter un faisceau d'isotopes rares et d'étudier sa désintégration avec un tel détail ouvre la voie à l'étude de noyaux encore plus exotiques qui sont difficiles à produire. L'expérience du silicium-25 a prouvé que l'installation peut gérer les défis de l'impureté des faisceaux et de la résolution énergétique, ouvrant la voie à de futures études sur les noyaux à halo de protons et d'autres formes extrêmes de la matière. En fournissant une vue claire et à haute résolution d'un processus nucléaire complexe, les chercheurs ont non seulement affiné notre compréhension du silicium-25, mais ont également validé une nouvelle méthode puissante pour explorer les frontières du monde atomique.