L’instrument MUSETT1 a détecté ses premiers noyaux lourds lors d’une phase de tests qui a eu lieu au début du mois d’avril 2010 auprès de l’accélérateur du GANIL2 à Caen. MUSETT a été construit dans le but d’identifier les éléments très lourd, les transfermiens, c'est à dire les éléments situés au-delà du fermium (Z=100). Les physiciens nucléaires s’intéressent à ces états extrêmes de la matière pour tester les modèles théoriques décrivant le noyau. Les premiers résultats de MUSETT sont très satisfaisants, démontrant une très bonne identification des isotopes produits grâce à une méthode originale dite de corrélation génétique. Celle–ci permet d’étiqueter un noyau grâce à la détection de sa décroissance. MUSETT préfigure la détection du futur Super Séparateur Spectromètre S3 dédié aux faisceaux hyper-intenses de SPIRAL23, permettant l’exploration des noyaux les plus lourds.
Figure 1 : Mur MUSETT constitué de 4 détecteurs silicium et de leur électronique frontale.
Le projet MUSETT est orchestré par l’IRFU4 et le GANIL (situé à Caen), financé par l’ANR5. L‘objectif est de mettre en œuvre un dispositif de détection permettant l’identification d’isotopes rares et éphémères, encore appelés noyaux exotiques. Ces noyaux sont produits par réactions nucléaires à l’aide de faisceaux stables ou bien radioactifs produits par l’ensemble SPIRAL. Divers dispositifs expérimentaux sont mis à disposition des équipes internationales afin de trier et étudier les rares noyaux produits après cette première interaction. Parmi ceux-ci, le spectromètre VAMOS6 permet de trier et d’identifier les espèces produites. Le multidétecteur de rayonnements gamma EXOGAM7 complète l’ensemble pour étudier la structure des noyaux. La combinaison du spectromètre de large couverture angulaire avec ce multidétecteur gamma donne lieu à un dispositif exceptionnel pour identifier des noyaux rares tels que les transfermiens.
L’instrument MUSETT (voir Figure 1) est composé d’un mur de quatre détecteurs silicium d’une surface de 10x10 cm2, segmentés en 128 pistes sur chaque face pour une localisation des noyaux et de leur décroissance radioactive. La face avant présente la caractéristique d’être sans fenêtre afin de dégrader le moins possible l’énergie des particules incidentes. Etant donné le nombre élevé de pistes et le faible encombrement requis, la lecture électronique de ces détecteurs est assurée par un nouvel ASIC appelé ATHED , développé grâce au savoir-faire des ingénieurs en microélectronique de l’Irfu. Ces puces sont montées par lots de quatre sur une carte développée à l’IPN d’Orsay. La nouvelle électronique de codage ainsi que le système d’acquisition partiellement inspiré d’AGATA ont été conçus à l’Irfu en collaboration avec le GANIL.
Les premiers tests ont été réalisés en avril 2010 au GANIL à l’aide d’un faisceau de Néon accéléré bombardant une cible d’or. Après un premier tri opéré par les éléments optiques magnétiques de VAMOS, les noyaux d’actinium produits s’arrêtent dans MUSETT. Il subsiste cependant trop de contaminants (noyaux issus de réactions parasites) pour identifier les noyaux d’actinium. C’est alors que l’on réalise un second tri grâce à la technique des corrélations génétiques : après quelques secondes, un noyau d’actinium se désintègre vers son fils par émission d’une particule alpha. Les corrélations spatiales et temporelles entre l’implantation et la particule alpha permettent d’identifier sans ambiguïté les isotopes produits et de les extraire du bruit de fond considérable : voir Figure 2. Ainsi MUSETT, installé au plan focal du spectromètre de VAMOS, permet de signer la synthèse d’un noyau spécifique alors que les contaminants se comptent par millions voire même milliards. Après cette identification formelle, il est possible étudier les rayonnements gamma et la structure du noyau grâce à EXOGAM.
Figure2: Le spectre total correspond à tous les événements détectés par MUSETT après le premier tri effectué par VAMOS : la décroissance alpha est noyée dans un important bruit de fond. Les corrélations génétiques, dont le principe est illustré à droite pour 214Ac, permettent d’isoler très clairement les noyaux d’actinium que l'on voit apparaitre sur la figure en bas à gauche.
Après ce prélude, nous nous attacherons à l’étude de noyaux jusqu’à présent inconnus. Ces tests à Ganil ont donc prouvé l’efficacité de MUSETT avec la méthode d’étiquetage du noyau par sa décroissance alpha, dit méthode de corrélation génétique. L’ensemble SPIRAL2 et le Super Séparateur Spectromètre S3 nous ouvriront dans quelques années de fascinantes et excitantes perspectives pour explorer les noyaux les plus lourds du tableau de Mendeleïev.
Contacts :
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1MUSETT : MUr de Silicium pour l’Etude des Transfermiens par Tagging
2GANIL : Grand Accélérateur National d’Ions Lourds
3SPIRAL2 : Séparation et Production d’Ions RAdioactifs en Ligne
4IRFU : Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers
5ANR : Agence Nationale pour la Recherche
6VAMOS : VAriable MOde Spectrometer
7 EXOGAM : multidétecteur de rayonnements gamma pour les noyaux exotiques
• Structure de la matière nucléaire › Noyaux atomiques
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
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Dernière mise à jour : 27-02-2024
