Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

L'un des projets de recherche les plus importants de ces dernières années est né d'une question critique et non résolue concernant l'origine naturelle des noyaux plus lourds que le fer. Dans les noyaux lourds, riches en neutrons, la théorie predits l’existence d'un îlots de stabilité atour des nombres de protons Z = 114, 120 ou 126 et le nombre de neutrons N = 184.
Cependant, les efforts récents pour synthétiser des éléments superlourds et explorer les noyaux riches en neutrons N = 126 se sont heurtés à des difficultés considérables en raison des sections efficaces extrêmement faibles des réactions traditionnelles de fusion-évaporation. Ces facteurs soulignent le besoin urgent d'une solution alternative pour la synthèse des éléments super-lourds.Ces facteurs soulignent l'urgence de trouver d'autres mécanismes de réaction. L'une d'entre elles a été identifiée dans les réactions de transfert de multinucléons (MNT), qui offrent une voie prometteuse vers les noyaux lourds riches en neutrons. Nous travaillons sur ce mécanisme de réaction depuis plusieurs années, en réalisant des expériences à l'Argonne National Laboratory et dans d'autres laboratoires internationaux. L'objectif de cette thèse est d'analyser les données recueillies lors de l'expérience que ont a réaliser à Argonne (fin 2023) et de proposer une nouvelle expérience au spectromètre Prisma (Legnaro National Lab) couplé avec le détecteur Agata.

Une des questions phares dans le domaine de la structure nucléaire concerne l'émergence de collectivité, et son lien avec la structure microscopique du noyau. Les noyaux atomiques peuvent manifester des comportements dits collectifs, où tous leurs constituants, les protons et les neutrons, se déplacent ensemble, à une fréquence donnée. Il s’agit surtout aux vibrations et rotations. Si un noyau n’est pas déformé, il ne peut être mis en rotation lorsqu’on l’excite ; en revanche, il présente des vibrations autour de sa forme d’équilibre sphérique.
Les isotopes pairs de cadmium ont longtemps été des cas d’école du comportement vibrationnel. Cette interprétation a cependant été remise en question suite aux études expérimentales récentes, qui ont, avec l'aide des calculs théoriques, conduit à la réorganisation des schémas de niveaux du 110,112Cd en termes d’excitations rotationnelles, suggérant la présence d’une variété de formes dans ces noyaux.
Grâce à un récent travail de thèse dans notre groupe, cette nouvelle interprétation a été étendue au noyau du 106Cd. Cependant, il reste plusieurs questions concernant la nature des niveaux observés a basse énergie d’excitation dans ce noyau. De plus, nous avons obtenu des indications que certains états excites peuvent être liés au couplage entre les vibrations du type dit octupolaire (c’est-à-dire le noyau se déforme adoptant une forme de poire) et quadripolaire (le noyau oscille entre les formes allongées et aplaties). Pour vérifier cette hypothèse, une expérience de décroissance bêta de précision a été proposée à TRIUMF (Vancouver, Canada) avec le spectromètre le plus avancé au monde dédié aux mesures de décroissance bêta, appelé GRIFFIN, pour chercher les voies de désintégration faibles dans le schéma de niveaux du 106Cd, et déterminer sans ambiguïté les spins des états excites grâce à l'analyse de corrélations angulaires gamma-gamma. Cette mesure permettra de résoudre les diverses énigmes concernant la structure de ce noyau, notamment la triaxialité de son état fondamental et la coexistence de formes multiples.
L’étudiant sera en charge de l’analyse de cette expérience, qui sera réalisée en 2025. Ensuite, en s’appuyant sur les résultats de cette analyse, elle/il procédera à une réévaluation de sections efficaces de peuplement de niveaux excités dans le 106Cd, qui ont été mesurées avec le spectromètre gamma de nouvelle génération AGATA au GANIL en utilisant la technique d’excitation coulombienne. Grâce à cette combinaison de mesures, nous espérons d’obtenir, pour la première fois dans la charte de noyaux, l’ensemble complet de probabilités de transition entre les états résultant du couplage entre les vibrations du type octupolaire et quadripolaire. Nous procéderons ensuite a l'interprétation des résultats obtenus en collaboration étroite avec des théoriciens.
Ce travail de thèse permettra à l’étudiant de suivre un projet dans son ensemble, de la préparation de l’expérience jusqu’à son interprétation théorique, et de se familiariser avec plusieurs techniques expérimentales de spectroscopie gamma, en utilisant les spectromètres gamma les plus avancés au monde.

La désintégration nucléaire à deux photons, ou double-gamma, est un mode de désintégration rare dans les noyaux atomiques, par lequel un noyau dans un état excité émet deux rayons gamma simultanément. Les noyaux pairs avec un premier état excité 0+ sont des cas favorables à la recherche dune branche de désintégration double-gamma, puisque lémission dun seul rayon gamma est strictement interdite pour les transitions 0+ to 0+ en raison de la conservation du moment angulaire. La désintégration double-gamma reste encore une branche de désintégration très petite (1E-4) en compétition avec les modes de désintégration dominants (de premier ordre) des électrons de conversion interne atomique (ICE) ou de la création de paires internes positron-électron (e+-e-) (IPC).

Le projet de thèse comporte deux parties expérimentales distinctes: Premièrement, nous stockons des ions nus (entièrement épluchés) dans leur état excité 0+ dans lanneau de stockage dions lourds (ESR) au GSI pour rechercher la désintégration double-gamma dans plusieurs nucléides. Pour les atomes neutres, létat excité 0+ est un état isomérique à durée de vie plutôt courte, de lordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanosecondes. Cependant, aux énergies relativistes disponibles au GSI, tous les ions sont entièrement épluchés de leurs électrons atomiques et la désintégration par émission ICE nest donc pas possible. Si létat dintérêt est situé en dessous du seuil de création de paires, le processus IPC nest pas non plus possible. Par conséquent, les noyaux nus sont piégés dans un état isomérique à longue durée de vie, qui ne peut se désintégrer que par émission double-gamma vers létat fondamental. La désintégration des isomères est identifiée par la spectroscopie de masse Schottky résolue dans le temps. Cette méthode permet de distinguer lisomère et létat fondamental par leur temps de révolution (très légèrement) différent dans lESR, et dobserver la disparition du pic de lisomère dans le spectre de masse avec un temps de décroissance caractéristique. Des expériences établissant la désintégration double-gamma dans plusieurs nucléides (72Ge, 98Mo, 98Zr) ont déjà été réalisées avec succès et une nouvelle expérience a été acceptée par le comité de programme du GSI et sa réalisation est prévue pour 2025.

La deuxième partie concerne lobservation directe des photons émis à laide de la spectroscopie des rayons gamma. Alors que les expériences sur les anneaux de stockage permettent de mesurer la durée de vie partielle de la double désintégration gamma, des informations supplémentaires sur les propriétés nucléaires ne peuvent être obtenues quen mesurant les photons eux-mêmes. Une expérience test a été réalisée pour étudier sa faisabilité et les plans dune étude plus détaillée devraient être élaborés dans le cadre du projet de doctorat.