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Structure Nucléaire

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Etude de la décroissance β−γ de 21Na


L’étude de la décroissance β−γ dans le 21Na a été motivée par des études visant à tester le modèle standard telles que la mesure du coefficient de corrélation angulaire βν de la transition β du 21Na vers l’état fondamental du 21Ne. En effet, il est nécessaire de connaître le rapport d’embranchement β vers l’état fondamental pour déterminer la valeur de ce coefficient. Le noyau 21Na ne décroît pratiquement que sur l’état fondamental (par une décroissance de type Fermi) et sur le 1er état excité de 21Ne (par une décroissance de type Gamow- Teller). Donc, il suffit de mesurer le rapport d’embranchement vers le 1er état excité pour déterminer celui vers le fondamental. Le 1er état excité dans 21Ne décroît par l’émission d’un rayonnement γ d’une énergie de 351 keV. Ainsi le rapport d’embranchement β associé est déduit à partir de la mesure de l’intensité de cette raie γ. Plusieurs mesures de ce rapport d’embranchement ont été effectuées auparavant mais deux ensembles de mesures sont en complet désaccord. Toutes ces mesures étaient basées sur la mesure en coïncidence des rayonnements γ à 351 keV et des particules β+ (ou des γ d’annihilation à 511 keV). Le but de ce travail était de réaliser une mesure indépendante avec une méthode différente. Le principe de cette expérience consistait à implanter les noyaux de 21Na délivrés par le séparateur Triμp (KVI) dans un détecteur Si. Celui-ci était précédé d’un détecteur sensible en position pour déterminer la position d’implantation. Les rayonnements γ émis étaient détectés par un détecteur Ge situé juste à l’avant du télescope Si. Ainsi le rapport d’embranchement a été déterminé par le rapport entre le nombre de noyaux détectés dans le détecteur d’implantation et le nombre de γ à 351 keV corrigé par l’efficacité de détection γ du Ge. L’analyse a consisté à déterminer chacune de ses grandeurs et les incertitudes associées. L’efficacité de détection γ a été déterminée à partir de l’étalonnage du Ge avec des sources γ dont l’activité était connue avec une précision de 0.1 % pour l’une d’elles. Cependant, une simulation du dispositif de détection avec le code MCNP a été nécessaire afin de déterminer l’efficacité totale de détection des rayonnements γ. Pour valider notre méthode expérimentale et l’analyse des données, la même étude a été réalisée avec un faisceau de 22Mg. Les résultats obtenus sont en accord avec les mesures précises réalisées par Hardy et al. (Suite rapport ci-dessous).

Tests et développements de cibles actives

Une cible active est un détecteur gazeux dont on utilise le gaz constituant comme cible de réaction. L’ensemble des participants de cette réaction (faisceau, cible et produits) sont alors détectables avec précision et efficacité, permettant la réalisation d’expériences uniques sur des noyaux loin de la stabilité tels que ceux produits auprès d’accélérateur comme le GANIL à Caen. La cible active MAYA utilisée se décompose en deux zones : la zone active où la réaction a lieu et la zone de détection où le signal induit par la réaction est amplifié, détecté et codé. Le volume actif, 28x26x20 cm3, est délimité par le plan cathodique dans sa partie supérieure et dans sa partie inférieure par une grille de Frisch dont le but est de l’isoler électriquement de la zone de détection. Ce volume est ainsi soumis à un champ électrique dans lequel les électrons issus de l’ionisation vont dériver. La zone de détection comprend un plan anodique de 32 fils amplificateurs et un plan cathodique segmenté en 32x32 pads hexagonaux de 5 mm de côté. Cette structure en nid d’abeille aux trois axes de symétrie permet de réduire efficacement les effets spurieux sur la reconstruction de trajectoire. Afin d’élargir la nature des réactions possibles avec ce type de détecteur, deux nouvelles études ont été effectuées :

  • La mise au point d’un écran semi-transparent autour du faisceau incident afin de masquer partiellement ce dernier et permettre, grâce à une dynamique mieux adaptée, de détecter à la fois le faisceau et les particules diffusées.
  • L’utilisation d’un mélange de gaz/quencher Hélium/CF4 et ainsi permettre d’effectuer des réactions de diffusion d’alpha en cinématique inverse sur des noyaux exotiques.


Les premiers tests concluants de mélange ont été effectués au printemps 2009 et des mélanges quasipurs d’Hélium (99%) stables sous rayonnement alpha (source de 226Ra) ont pu être réalisés. En septembre 2009 des tests avec de l’36Ar à 3 MeV/n ont permis de confirmer ce résultat sous faisceau et de valider le prototype de « masque ». Enfin, des développements informatiques utilisant le logiciel ROOT permettent maintenant de visualiser et analyser en temps réel les données obtenues en expérience. Plusieurs expériences, en particulier sur les résonances géantes et pygmées dans les noyaux exotiques, ainsi que des tests sont prévus avec ce dispositif. Une nouvelle génération de cible active ACTAR devrait voir le développement d’un système de détection/acquisition plus précis et versatile.

Développement de détecteurs de neutrons

Le groupe structure nucléaire s’intéresse au développement de multidétecteurs de neutrons de basse énergie, qui seront utilisés auprès des futures installations de production de noyaux exotiques, notamment SPIRAL2 au GANIL. Deux multidétecteurs sont envisagés : l’un pour la spectroscopie par détection de neutrons retardés par décroissance β, l’autre pour l’étude de réactions (d,n) afin de sonder les états individuels de proton. Le multidétecteur de neutrons retardés TONNERRE utilisé jusqu’à présent par le groupe souffre d’une résolution en énergie limitée (80 keV à 1 MeV neutron) et d’un seuil en énergie neutron relativement élevé (250 keV neutron). D’autre part, la détection de plusieurs neutrons retardés en coïncidence est rendue délicate par les coïncidences fortuites impliquant les photons γ du bruit de fond et les rayons cosmiques. Ces coïncidences fortuites pourraient être rejetées via la discrimination de forme d’impulsion (« discrimination neutron-γ »), ce que ne permet pas le scintillateur plastique utilisé dans TONNERRE. Plusieurs pistes sont envisagées pour la conception d’un multidétecteur de neutrons retardés permettant de dépasser ces limitations :

  • Discrimination neutron-γ : utilisation d’un scintillateur liquide, acquisition et traitement numériques des signaux ; - Résolution en énergie : détecteurs minces, de petit volume, placés à une distance suffisamment grande (> 5 m) ;
  • Seuil en énergie : détecteurs de petit volume, photomultiplicateur couvrant toute la surface du scintillateur, acquisition et traitement numériques des signaux.


La faisabilité de la détection en coïncidence de plusieurs neutrons retardés sera étudiée au cours d’une expérience test sur l’émission de 2 neutrons retardés par la décroissance β du 11Li, fin 2010 au GANIL. Cette expérience utilisera le multidétecteur EDEN, constitué de modules de scintillateurs liquides minces (épaisseur 5 cm). Elle permettra également de définir les performances d’un multidétecteur adapté à ce type d’études (résolution en temps, efficacité, géométrie…). L’essentiel des modules sera équipé d’une électronique analogique de type VME, mais quelques détecteurs utiliseront l’électronique numérique FASTER actuellement en développement au LPC. Les tests de détecteurs et d’électronique sont actuellement en cours au LPC. (suite rapport ci-dessous)

Etude de la structure au-delà de la stabilité via la cassure du 15B

Le groupe Structure Nucléaire a continué ses études des systèmes non liés très riches en neutrons avec les 10,12Li et 13Be obtenus par réaction de cassure d’un faisceau de 15B à 35 MeV/nucléon. Les noyaux non liés produits ainsi ne peuvent être détectés en tant que tels, leur décroissance en fragment chargé et neutron intervenant en quelques 10−21 s. Seule une détection en coïncidence permet de reconstruire l’énergie de décroissance des systèmes. L’interprétation des spectres en énergie de décroissance a demandé le développement et l’utilisation d’un code de simulation tenant compte de l’effet du dispositif sur nos mesures et capable de générer les distributions théoriques des états s virtuels et résonants, ainsi que la construction d’un fond non corrélé. La combinaison de ces deux contributions a ensuite été comparée aux données. Cette démarche a été testée et validée pour le système bien connu d’7He dans son état fondamental. Elle nous a, par la suite, permis de révéler la présence d’un état s virtuel de longueur de diffusion as = −10.+6−22 fm et d’un état résonant (ℓ=1) à ER=0,50±0,15 MeV et de largeur Γ=0,25 MeV pour le 10Li, confirmant la poursuite de l’inversion des niveaux 1p1/2 et 2s1/2 déjà observée dans l’isotone moins riche en neutrons 11Be. Pour le système le plus exotique, le 12Li, la présence d’un état s virtuel de longueur de diffusion as ≤ −3 fm a été postulée. Enfin, une structure très étroite et très près du seuil dans le spectre en énergie de décroissance du 12Be+n a été identifiée comme étant une conséquence du processus séquentiel 15B→14Be*(2+)12Be+n+n contredisant l’existence d’un état s virtuel dans le 13Be. (voir rapport ci-dessous et thèse de Anne Leprince http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00451526.fr/)

Étude de la structure au-delà de la limite de stabilité via la réaction de transfert d(8He,p)9He

L’étude des noyaux légers très riches en neutrons à la limite de la stabilité et même au-delà suscite un intérêt marqué depuis quelques années. D’un point de vue expérimental, la disponibilité de faisceaux secondaires d’intensité accrue et de nouveaux ensembles de détection de grande efficacité ont permis de réaliser des expériences pour étudier la structure de noyaux non liés, dont les premiers états se manifestent par des résonances dans les spectres de réactions de transfert ou de cassure. Dans cette région des noyaux très légers riches en neutrons, le noyau 9He suscite un intérêt tout particulier, en raison de sa valeur extrême du rapport N/Z. Ce noyau fait partie de la chaîne des isotones N=7 dans laquelle l’inversion de parité de l’état fondamental a été prédite pour la première fois par I. Talmi and I. Unna pour le noyau de 11Be. Expérimentalement, pour les noyaux N=7, nous observons que pour A>11, les noyaux suivent le modèle en couches, par contre les noyaux ayant A≤11 présentent une inversion de parité. Deux nouvelles expériences ont récemment été réalisées au GANIL et au JINR DUBNA (Russie) pour sonder le noyau 9He : la même réaction 8He(d,p)9He a été utilisée, mais des résultats différents ont été obtenus sur la spectroscopie de l’9He. (suite rapport ci-dessous)

Low Intensity Diamond Detector Beam Profiler for EURISOL

The successful delivery of radioactive beams by the heavy-ion linac will require the characterisation of the beam throughout the machine – in particular the profile and intensity. In the framework of the beam diagnostics subtask, we have thus looked into the development of a new type of beam profiler, dedicated to rather lowintensity radioactive beams. At present, for beam rates below some 106 pps, no reliable detector exists which fulfils the requirements imposed by operation in such an environment. However, the recent development for high energy physics applications of relatively large area synthetic polycrystalline diamond (produced via chemical vapour deposition – CVD), offers a very promising alternative, with properties matching very closely those needed to fulfil the above requirements. Given the relatively limited knowledge of the response of such detectors to heavy ions a programme of R&D was undertaken : a) to determine the suitability of CVD diamond to detecting heavy ions and b) to fabricate and test prototype double-sided strip detectors capable of providing event-by-event position measurement and timing. As a first step two 25x25 mm2 diamond wafers of 300 and 500 μm thicknesses of different quality and surface preparation were purchased from Diamond Detectors Ltd (a subsidiary of De Beers), simple non-segmented detectors being produced. Following testing with an alpha source, the two detectors, along with others supplied by colleagues from GSI-Darmstadt and CEA-Saclay, were tested in beam at GSI (50 MeV/nucleon 124Xe) and GANIL (7–11 MeV/nucleon 13C, 58Ni). The results of the tests undertaken of the detectors based on the Diamond Detectors wafer confirmed the fast rise (typically 5 nsec) and response time (signal width 15 nsec) of the material. (Report below)

Structure near N=16 studied via the d(24Ne,pγ)25Ne reaction

Nucleon transfer reactions induced by light ions are an established tool for studying single-particle structure. In the present work, the (d,p) reaction has been employed in inverse kinematics as part of a programme to explore the neutron-rich neon and sodium isotones. Recent work using other techniques has provided some evidence for the emergence of N=16 as a magic number in this region, but has not identified the single-particle structure in an unambiguous manner through spectroscopic factors and spins. While an extensive review including the emergence of the N=16 magic number has recently been published, further quantitative data are needed. In this spirit, we have investigated the levels of 25Ne, via neutron transfer onto 24Ne, in which the valence neutron can occupy the 1s1/2 or 0d3/2 orbitals, or the higher lying negative parity orbitals (0f7/2, 1p3/2,…). Existing information concerning relevant levels in 25Ne is listed in the accompanying table. The experiment was performed at the SPIRAL1 facility using a beam of 24Ne at 10.6 MeV/nucleon The protons from the (d,p) reaction were detected using the TIARA array of silicon detectors. In order to detect in coincidence the γ-rays from the in-flight decay of the 25Ne recoils, four segmented EXOGAM detectors were placed in close proximity to the target. As such, it was possible to effectively improve the excitation energy resolution by an order of magnitude over that which was possible from the measurement of the protons alone. Beam particles and beam-like reaction products, including the 25Ne recoils, emerging around zero degrees were identified using the VAMOS spectrometer. The particles observed in TIARA in coincidence with 25Ne were used to deduce the 25Ne excitation energy, according to the measured energies and angles and the kinematics for the (d,p) reaction, and the corresponding excitation energies of the states observed are listed in the table.(Report below)