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INVESTIGATION OF THE NUCLEAR TWO-PHOTON DECAY IN SWIFT FULLY STRIPPED HEAVY

Spécialité

Physique nucléaire

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

KORTEN Wolfram
+33 1 69 08 42 72

Résumé/Summary
Ce stage concerne exclusivement les candidats qui sont intéressés par le même projet de thèse publié sur le site web de l'INSTN (voire lien externe c-dessous). Pendant le stage, le candidat commencera à travailler sur la bibliographie du sujet et la technique expérimentale.
This interim concerns exclusively candidats who are interested in the same thesis project published on the website of INSTN (see external link below). During the internship the candidate will start working on the bibliographie of the subject and the experimental technique.
Sujet détaillé/Full description
La désexcitation nucléaire en deux photons, c.à.d. la décroissance par émission de deux rayons gamma, est un mode de désexcitation rare du noyau atomique, au cours duquel un noyau excité émet deux rayons gamma simultanément pour revenir à l’état fondamental. Les noyaux pair-pair ayant un premier état excité 0+ sont des cas favorables pour rechercher la décroissance double gamma puisque l'émission d'un seul rayon gamma est strictement interdite pour les transitions 0+ -> 0+ par conservation du moment angulaire. Cette décroissance présente toujours un très petit rapport d’embranchement (<1E-4) en comparaison avec les autres modes de désexcitation possibles, soit par l'émission d'électrons de conversion interne (ICE) soit la création de paires positron-électron (e+-e-) (IPC). Nous utiliserons donc une nouvelle technique pour rechercher la décroissance double gamma: l’étude de la désexcitation d’un état isomérique 0+ de basse énergie dans les ions nus, c.-à-d. entièrement épluchés de leurs électrons atomiques. L'idée de base de l’expérience est de produire, sélectionner et stocker les noyaux dans leur état isomérique 0+ dans l’anneau de stockage de l’installation GSI en Allemagne. Lorsque le noyau est entouré du cortège électronique l'état 0+ excité est un état isomérique à durée de vie assez courte, de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanosecondes. Toutefois, aux énergies relativistes disponibles à GSI, tous les ions sont entièrement épluchés de leurs électrons atomiques et la désexcitation par ICE n'est donc pas possible. Si l'état d'intérêt est situé en dessous du seuil de création de paires, le processus IPC n'est pas possible non plus. Par conséquent, les noyaux nus sont piégés dans un état isomérique de longue durée de vie, qui ne peut se désintégrer que par émission de deux rayons gamma vers l'état fondamental. La désexcitation de l'isomère serait identifiée par spectroscopie de masse Schottky (SMS) à résolution temporelle. Cette méthode permet de distinguer l'isomère de l'état fondamental par la (très légère) différence de leur temps de révolution dans l’ESR, et d'observer la disparition du pic de l'isomère dans le spectre de masse aveI un temps de décroissance caractéristique. L'expérience pour rechercher la décroissance double gamma dans les isotopes 72Ge and 70Se a été accepté par le comité d'expériences de GSI et son réalisation est prévu en 2021/22.
The nuclear two-photon, or double-gamma decay is a rare decay mode in atomic nuclei whereby a nucleus in an excited state emits two gamma rays simultaneously. Even-even nuclei with a first excited 0+ state are favorable cases to search for a double-gamma decay branch, since the emission of a single gamma ray is strictly forbidden for 0+ -> 0+ transitions by angular momentum conservation. The double-gamma decay still remains a very small decay branch (<1E-4) competing with the dominant (first-order) decay modes of atomic Internal-Conversion Electrons (ICE) or Internal positron-electron (e+-e-) Pair Creation (IPC). Therefore we will make use of a new technique to search for the double-gamma decay in bare (fully-stripped) ions, which are available at the GSI facility in Darmstadt, Germany. The basic idea of our experiment is to produce, select and store exotic nuclei in their excited 0+ state in the GSI storage ring (ESR). For neutral atoms the excited 0+ state is a rather short-lived isomeric state with a lifetime of the order of a few tens to hundreds of nanoseconds. At relativistic energies available at GSI, however, all ions are fully stripped of their atomic electrons and decay by ICE emission is hence not possible. If the state of interest is located below the pair creation threshold the IPC process is not possible either. Consequently, bare nuclei are trapped in a long-lived isomeric state, which can only decay by double-gamma emission to the ground state. The decay of the isomers would be identified by so-called time-resolved Schottky Mass Spectroscopy. This method allows to distinguish the isomer and the ground state state by their (very slightly) different revolution time in the ESR, and to observe the disappearance of the isomer peak in the mass spectrum with a characteristic decay time. An experiment to search for the double-gamma decay in 72Ge and 70Se has already been accepted by the GSI Programme Committee and should be realised in 2021/22.

 

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