⚛️ experimentos nucleares

Recent upgrades to the CRIS Decay Spectroscopy Station: Accessing $\beta$ - and $\gamma$ -ray spectroscopy on pure isomeric beams

A Estação de Espectroscopia de Decaimento CRIS no ISOLDE-CERN foi atualizada com uma câmara de detecção compatível com vácuo redesenhada, um novo sistema de fita e um DAQ digital para permitir a espectroscopia de raios $\beta$ e $\gamma$ seletiva ao isômero, demonstrada com sucesso pela separação completa e detecção eficiente dos isômeros $^{106g,106m}$ In.

Autores originais: Simone Casci, Bram van den Borne, Osama Ahmad, Anjali Ajayakumar, Michail Athanasakis-Kaklamanakis, Mia Au, Justus Berbalk, Yazeed Balasmeh, Thomas Elias Cocolios, Saikumar Chinthakayala, Christian Co

Publicado 2026-10-22

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CC BY 4.0

Autores originais: Simone Casci, Bram van den Borne, Osama Ahmad, Anjali Ajayakumar, Michail Athanasakis-Kaklamanakis, Mia Au, Justus Berbalk, Yazeed Balasmeh, Thomas Elias Cocolios, Saikumar Chinthakayala, Christian Costache, Ruben Pieter de Groote, Carlos Mario Fajardo-Zambrano, Kieran Thomas Flanagan, Ronald Fernando Garcia Ruiz, Reinhard Heinke, Andres Illana, Zakariya Johri, Angelos Karadimas, Anders Kastberg, Ágota Koszorús, Louis Lalanne, Pierre Lassègues, Razvan Lică, Yongchao Liu, Kara Marie Lynch, Abigail McGlone, David Thomas McElroy, Philippe Mispelter, Gerda Neyens, Cătălin Neacşu, Lukas Nies, Andrea Raggio, Jordan Ray Reilly, Jack Shaw, Marek Stryjczyk, Andrei Turturica, Victoria Vedia, Jessica Warbinek, Hilde De Witte, Xiaofei Yang

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

No coração da matéria reside o núcleo atômico, um aglomerado denso de prótons e nêutrons que define cada elemento no universo. Embora alguns núcleos sejam estáveis, muitos são instáveis, ou radioativos, mudando constantemente e liberando energia para encontrar um estado mais confortável. Os cientistas estudam esses momentos fugazes de decaimento para compreender as forças fundamentais que mantêm o universo unido. No entanto, um desafio persistente neste campo é a presença de "isômeros". Estas são versões do mesmo átomo que possuem o mesmo número de prótons e nêutrons, mas estão organizadas em diferentes estados de energia, tal como um pedaço de papel dobrado versus um plano. Frequentemente, essas diferentes versões chegam a um laboratório misturadas, tornando quase impossível distinguir qual delas está decaindo e qual é apenas ruído de fundo. Para observar a verdadeira natureza de um estado nuclear específico, os pesquisadores devem isolá-lo com extrema precisão, uma tarefa que há muito exige um equilíbrio delicado de lasers e tecnologia de vácuo.

Na Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, conhecida como CERN, uma equipe de cientistas atualizou recentemente uma instalação especializada chamada Estação de Espectroscopia de Decaimento. Localizada na instalação ISOLDE, esta estação foi projetada para capturar átomos radioativos conforme eles são criados e estudar como eles se desintegram. Os pesquisadores, liderados por uma grande colaboração internacional, transformaram a estação para trabalhar com feixes de átomos que são purificados para conter apenas um único tipo de estado nuclear. Ao utilizar uma técnica poderosa chamada espectroscopia de ionização de ressonância colinear, eles podem sintonizar lasers para interagir apenas com a impressão digital de energia específica dos átomos que desejam estudar, filtrando efetivamente todas as versões indesejadas. As novas atualizações permitem que esses feixes purificados sejam implantados em uma fita móvel, que transporta os átomos para longe dos detectores após um curto período, garantindo que as medições não sejam contaminadas pela radiação remanescente de átomos anteriores.

O coração físico desta nova capacidade é uma câmara de detecção redesenhada. Os pesquisadores substituíram um antigo design de aço inoxidável por uma unidade compacta, construída sob medida, que pode operar em um vácuo ultra-alto. Dentro desta câmara, eles instalaram um sistema de fita móvel que passa pelo centro de um detector especializado. Este detector é um cintilador plástico customizado, um bloco de material transparente que brilha com luz quando atingido por uma partícula. Cercando este núcleo central estão vários detectores de alta precisão capazes de detectar raios gama, que são pacotes de luz de alta energia emitidos durante o decaimento nuclear. Todo o conjunto está ligado a um sistema digital sofisticado que registra o momento exato em que uma partícula atinge o plástico e a energia precisa dos raios gama que se seguem, permitindo que a equipe reconstrua o processo de decaimento com uma clareza sem precedentes.

Para testar se sua nova máquina funcionou, a equipe conduziu um experimento de comissionamento usando feixes de índio, um elemento químico que existe em duas formas distintas: um estado fundamental e um estado isomérico excitado. Essas duas formas são notoriamente difíceis de separar porque suas assinaturas de energia se sobrepõem significativamente. Os pesquisadores direcionaram um feixe de átomos de índio para a estação, usando seus lasers para selecionar apenas uma das duas formas por vez. À medida que os átomos selecionados pousavam na fita móvel, eles começavam a decair. A equipe observou que a fita móvel transportava com sucesso o resíduo radioativo, deixando os detectores limpos e prontos para o próximo lote de átomos. Eles mediram a eficiência de seu novo detector plástico, descobrindo que ele capturou com sucesso cerca de dezenove por cento das partículas beta emitidas durante o decaimento, uma conquista significativa para um dispositivo tão compacto.

O resultado mais impressionante do experimento foi a capacidade de distinguir claramente entre as duas formas de índio. Quando os lasers foram sintonizados para o estado fundamental, os detectores registraram um padrão específico de raios gama que aparecia apenas quando esse estado estava presente. Quando os lasers foram sintonizados para o estado isomérico, um conjunto completamente diferente de raios gama apareceu, sem qualquer sinal do estado fundamental. Esta separação limpa provou que a equipe poderia agora estudar o decaimento desses dois estados nucleares de forma independente, algo que era anteriormente impossível devido à mistura de sinais. Os pesquisadores determinaram que o sistema poderia remover a atividade indesejada de fundo com alta eficiência, permitindo uma visão clara da estrutura nuclear.

Este trabalho representa um passo significativo à frente no estudo de núcleos exóticos. Ao combinar a purificação por laser com um sistema de fita móvel e uma nova geração de detectores, a equipe criou uma ferramenta que pode isolar e observar estados nucleares com um nível de pureza que antes era inalcançável. O sucesso desta atualização significa que os cientistas podem agora investigar as propriedades de isótopos de vida curta que antes eram demasiado contaminados para serem estudados. A equipe planeja usar esta nova capacidade para explorar a estrutura de núcleos próximos ao 78Ni, especificamente o 79Zn e o 80Ge, o que espera lançar luz sobre a coexistência de formas nesta região. A capacidade de separar esses estados de forma limpa abre as portas para responder a questões de longa data sobre a forma e o comportamento dos núcleos atômicos, fornecendo uma imagem mais clara dos blocos de construção do nosso universo.

Resumo Técnico: Recentes Atualizações na Estação de Espectroscopia de Decaimento CRIS

Definição do Problema
A espectroscopia de decaimento em instalações de feixes de íons radioativos frequentemente sofre com contaminantes isobáricos ou isoméricos, que complicam o desmembramento de decaimentos nucleares específicos. Embora a espectroscopia de ionização por ressonância in-source possa purificar os feixes, sua resolução limitada (alguns GHz) não consegue separar estados nucleares com estruturas hiperfinas (hfs) sobrepostas, como os estados fundamental e isomérico do $^{106}$ In. A estação anterior de Espectroscopia de Decaimento por Ressonância Colinear (CRIS) (DSS 2), comissionada em 2017, melhorou a eficiência de detecção de raios $\gamma$ , mas carecia de um sistema dedicado de detecção de $\beta$ . Além disso, sofria com o acúmulo de atividade de vida longa no ponto de implantação, criando problemas de fundo, e carecia de diagnósticos de feixe integrados. A construção em aço inoxidável das iterações anteriores também atenuava significativamente os raios $\gamma$ de baixa energia.

Metodologia e Atualizações Técnicas
Os autores relatam uma atualização abrangente da DSS 2 para permitir a espectroscopia de $\beta$ e $\gamma$ seletiva por isômero em feixes isoméricos puros. As modificações técnicas incluem:

Implementação do Sistema de Fita: Uma nova estação de fita foi instalada para transportar o feixe de íons de uma câmara de fita para a câmara de detecção. Este sistema utiliza uma fita de Mylar aluminizada movida por servomotores para deslocar o ponto de implantação, removendo efetivamente a atividade de filhas de vida longa do volume de detecção. A câmara da fita é blindada com paredes de aço inoxidável de 2 cm de espessura e mantém um vácuo de $6 \times 10^{-7}$ mbar, enquanto o bombeamento diferencial preserva o vácuo ultra-alto (UHV) na região de interação ( $>9 \times 10^{-10}$ mbar).
Redesenho da Placa de Base e Detector de $\beta$ : A placa de base de alumínio foi substituída por uma versão de aço inoxidável incorporando um colimador de 8 mm, um detector MicroTOF móvel para diagnóstico de feixe e um suporte customizado para o detector de $\beta$ . O detector de $\beta$ consiste em um cintilador plástico BC-408 em forma de semicilindro (50 mm $\times$ 39,25 mm $\times$ 27 mm) envolvendo a fita, acoplado a um fotomultiplicador de silício (SiPM) customizado com 24 células fotovoltaicas. Este design visa uma cobertura de ângulo sólido ideal, ao mesmo tempo em que blinda o cintilador do halo do feixe de íons.
Arranjo de Detecção de Raios $\gamma$ : A configuração acomoda até três detectores de germânio de alta pureza (HPGe) e quatro detectores de LaBr $_3$ montados em uma estrutura OSIRIS. A câmara de detecção compacta de 10 cm $\times$ 10 cm permite que os detectores HPGe sejam posicionados a aproximadamente 7 cm do ponto de implantação.
Aquisição de Dados (DAQ): Um sistema de DAQ digital de 24 canais foi implementado utilizando digitalizadores CAEN V1724 (DPP-PHA) e V1751 (DPP-PSD). Este sistema sincroniza os sinais do detector de $\beta$ , HPGe e detectores de LaBr com a lógica do feixe CRIS, permitindo medições de coincidência e seleção de tempo.

Experimento de Comissionamento e Resultados
A estação atualizada foi comissionada usando feixes de íons ionizados a laser de $^{106g,m}$ In e $^{104g}$ In. A técnica CRIS foi usada para ionizar seletivamente o estado fundamental ( $I=7^+$ ) ou o estado isomérico ( $I=2^+$ ) do $^{106}$ In, ajustando a frequência do laser para transições de hfs específicas.

Remoção de Atividade: O movimento da fita após a implantação contínua demonstrou a remoção eficaz da atividade residual do ângulo sólido do detector de $\beta$ . No entanto, uma cauda de decaimento longo nos dados de HPGe indicou que o halo do feixe foi implantado na abertura do colimador à frente do detector de $\beta$ .
Transmissão e Eficiência: A eficiência de transmissão do CRIS MagneTOF para o ponto de implantação da DSS foi determinada como sendo de pelo menos 30% (considerando perdas do colimador e halo do feixe). A eficiência absoluta de detecção de $\beta$ foi medida em 19(2)%. Isto é significativamente inferior à eficiência geométrica simulada de 68%, atribuída a perdas de transporte de luz e configurações de polarização/ganho de SiPM não otimizadas durante o experimento.
Separação de Isômeros: O experimento demonstrou com sucesso a separação dos estados $^{106g}$ In e $^{106m}$ In. Ao configurar o laser em ressonância com transições de hfs específicas, a equipe observou transições de raios $\gamma$ distintas características do decaimento de cada estado. Por exemplo, transições que despopulam estados de alto spin em $^{106}$ Cd foram observadas apenas quando o estado fundamental foi selecionado, enquanto transições para estados de baixo spin foram observadas apenas quando o estado isomérico foi selecionado.
Eficiência de Raios $\gamma$ : A eficiência total de pico fotoelétrico dos detectores HPGe foi medida em 7% em 200 keV, representando uma melhoria significativa em relação aos designs anteriores.

Significância e Alegações
O artigo alega que estas atualizações permitem a Espectroscopia de Decaimento Assistida por Laser (LADS) em feixes isoméricosamente puros, uma capacidade anteriormente inalcançável para estados com hfs sobrepostas. A principal significância reside na capacidade de desmembrar estruturas nucleares populadas pelo decaimento de estados fundamental e isomérico específicos, como a estrutura de $^{106}$ Cd populada por $^{106}$ In.

Os autores observam que, embora a transição da contagem de íons convencional para a Espectroscopia de Laser Assistida por Decaimento (DALS) envolva um fator de perda de aproximadamente 3:50 (devido às eficiências de transmissão e detecção), o método oferece uma melhoria substancial no desempenho da relação sinal-ruído para feixes com alta contaminação isobárica ou isomérica. O sistema está agora planejado para ser usado no estudo da coexistência de formas perto da região do $^{78}$ Ni, especificamente em $^{79}$ Zn e $^{80}$ Ge. O artigo conclui que a nova DSS superou com sucesso as limitações de vácuo e detecção de seus predecessores, fornecendo uma plataforma robusta para espectroscopia de decaimento de alta resolução.

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