Recent upgrades to the CRIS Decay Spectroscopy Station: Accessing - and -ray spectroscopy on pure isomeric beams
La station de spectroscopie de désintégration CRIS à l'ISOLDE-CERN a été modernisée avec une chambre de détection compatible avec le vide redessinée, un nouveau système de ruban et une acquisition de données (DAQ) numérique pour permettre la spectroscopie de rayons et sélective pour les isomères, ce qui a été démontré avec succès par la séparation complète et la détection efficace des isomères In.
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Au plus profond du cœur de la matière se trouve le noyau atomique, un amas dense de protons et de neutrons qui définit chaque élément de l'univers. Si certains noyaux sont stables, beaucoup sont instables, ou radioactifs, changeant constamment et libérant de l'énergie pour trouver un état plus confortable. Les scientifiques étudient ces moments éphémères de désintégration pour comprendre les forces fondamentales qui maintiennent l'univers ensemble. Cependant, un défi persistant dans ce domaine est la présence d'« isomères ». Il s'agit de versions du même atome qui possèdent le même nombre de protons et de neutrons, mais qui sont disposées dans des états d'énergie différents, un peu comme une feuille de papier pliée par rapport à une feuille plate. Souvent, ces différentes versions arrivent dans un laboratoire mélangées, ce qui rend presque impossible de distinguer laquelle est en train de se désintégrer et laquelle n'est que du bruit de fond. Pour observer la véritable nature d'un état nucléaire spécifique, les chercheurs doivent l'isoler avec une précision extrême, une tâche qui a longtemps nécessité un équilibre délicat entre lasers et technologie du vide.
À l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, connue sous le nom de CERN, une équipe de scientifiques a récemment modernisé une installation spécialisée appelée la Station de Spectroscopie de Désintégration. Située à l'installation ISOLDE, cette station est conçue pour capturer les atomes radioactifs au moment de leur création et étudier la façon dont ils se brisent. Les chercheurs, dirigés par une large collaboration internationale, ont transformé la station pour qu'elle puisse fonctionner avec des faisceaux d'atomes purifiés pour ne contenir qu'un seul type d'état nucléaire. En utilisant une technique puissante appelée spectroscopie d'ionisation par résonance colinéaire, ils peuvent accorder les lasers pour qu'ils interagissent uniquement avec l'empreinte énergétique spécifique des atomes qu'ils souhaitent étudier, filtrant ainsi efficacement toutes les versions indésirables. Les nouvelles améliorations permettent à ces faisceaux purifiés d'être implantés sur un ruban mobile, qui emporte les atomes loin des détecteurs après un court instant, garantissant que les mesures ne soient pas contaminées par le rayonnement résiduel des atomes précédents.
Le cœur physique de cette nouvelle capacité est une chambre de détection redessinée. Les chercheurs ont remplacé un ancien modèle en acier inoxydable par une unité compacte, construite sur mesure, capable de fonctionner dans un vide ultra-haut. À l'intérieur de cette chambre, ils ont installé un système de ruban mobile qui passe par le centre d'un détecteur spécialisé. Ce détecteur est un scintillateur plastique fabriqué sur mesure, un bloc de matériau transparent qui émet des éclats de lumière lorsqu'il est frappé par une particule. Autour de ce moyeu central se trouvent plusieurs détecteurs de haute précision capables de détecter les rayons gamma, qui sont des paquets de lumière de haute énergie émis lors de la désintégration nucléaire. L'ensemble de l'installation est relié à un système numérique sophistiqué qui enregistre le moment exact où une particule frappe le plastique et l'énergie précise des rayons gamma qui suivent, permettant à l'équipe de reconstruire le processus de désintégration avec une clarté sans précédent.
Pour tester si leur nouvelle machine fonctionnait, l'équipe a mené une expérience de mise en service utilisant des faisceaux d'indium, un élément chimique qui existe sous deux formes distinctes : un état fondamental et un état isomère excité. Ces deux formes sont notoirement difficiles à séparer car leurs signatures énergétiques se chevauchent considérablement. Les chercheurs ont dirigé un faisceau d'atomes d'indium dans la station, en utilisant leurs lasers pour sélectionner un seul des deux états à la fois. Lorsque les atomes sélectionnés se sont déposés sur le ruban mobile, ils ont commencé à se désintégrer. L'équipe a observé que le ruban mobile transportait avec succès les résidus radioactifs, laissant les détecteurs propres et prêts pour le lot d'atomes suivant. Ils ont mesuré l'efficacité de leur nouveau détecteur plastique, constatant qu'il capturait avec succès environ dix-neuf pour cent des particules bêta émises lors de la désintégration, un accomplissement significatif pour un dispositif aussi compact.
Le résultat le plus frappant de l'expérience fut la capacité de distinguer clairement les deux formes d'indium. Lorsque les lasers étaient accordés sur l'état fondamental, les détecteurs enregistraient un motif spécifique de rayons gamma qui n'apparaissait que lorsque cet état était présent. Lorsque les lasers étaient accordés sur l'état isomère, un ensemble de rayons gamma complètement différent apparaissait, sans aucun signal provenant de l'état fondamental. Cette séparation nette a prouvé que l'équipe pouvait désormais étudier la désintégration de ces deux états nucléaires indépendamment, ce qui était auparavant impossible en raison du mélange des signaux. Les chercheurs ont déterminé que le système pouvait éliminer l'activité de fond indésirable avec une grande efficacité, offrant une vue claire de la structure nucléaire.
Ce travail représente une étape importante dans l'étude des noyaux exotiques. En combinant la purification par laser avec un système de ruban mobile et une nouvelle génération de détecteurs, l'équipe a créé un outil capable d'isoler et d'observer les états nucléaires avec un niveau de pureté qui était auparavant hors de portée. Le succès de cette mise à niveau signifie que les scientifiques peuvent désormais étudier les propriétés d'isotopes à vie courte qui étaient autrefois trop contaminés pour être étudiés. L'équipe prévoit d'utiliser cette nouvelle capacité pour explorer la structure des noyaux proches du 78Ni, spécifiquement le 79Zn et le 80Ge, ce qui devrait apporter un éclairage sur la coexistence de formes dans cette région. La capacité de séparer ces états proprement ouvre la voie à la résolution de questions de longue date concernant la forme et le comportement des noyaux atomiques, offrant une image plus claire des éléments constitutifs de notre univers.
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