Pour la première fois, une équipe de recherche internationale, dirigée par le GSI/FAIR à Darmstadt, l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) au CEA-Saclay, en France, et l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg (MPIK), a réussi à observer la désintégration à deux photons sur un noyau atomique dit « nu », dont les couches d’électrons ont été entièrement retirées. Les mesures sur des noyaux de germanium-72 (72Ge)ont été effectuées dans le cadre du programme expérimental FAIR Phase 0 dans l’anneau de stockage expérimental ESR à GSI/FAIR. Les résultats ont été publiés récemment dans la revue Physical Review Letters [1].
La désintégration nucléaire à deux photons (ou la décroissance double-gamma) est un processus électromagnétique rare car sous-dominant au cours duquel un noyau dans un état excité émet deux rayons gamma simultanément. Cette nouvelle forme de radioactivité a été découvert pour la première fois dans les années 1980 au MPIK, mais la poursuite des recherches n’a guère été possible jusqu’à présent en raison de sa rareté. Utiliser des noyaux nus a permis d’étendre ces études à des états excités de basse énergie (en dessous du MeV). L’étude de ce processus fournit des informations sur les propriétés fondamentales du noyau, telles que sa réaction aux champs électromagnétiques dans différents états d’excitation qui ne sont pas décrit par les modèles nucléaires actuels.
Dans les expériences actuelles, ce phénomène rare a été étudié dans un isotope spécifique du germanium, de numéro de masse A=72, qui a été dépouillé de toute ses couches d’électrons. Pour ce faire, un faisceau d’ions krypton a été accéléré à environ 70 % de la vitesse de la lumière à l’aide de l’installation d’accélération de GSI/FAIR puis projetés sur une plaque de béryllium d’environ un centimètre d’épaisseur. Lors de l’impact, les ions germanium souhaités sont en partie produits dans le premier état excité du noyau, qui a le même nombre quantique de spin 0+ que l’état fondamental. Ainsi, toute décroissance de cet état excité au niveau fondamental doit produire une combinaison de particules de moment angulaire total nul, à cause de la loi de conservation du moment angulaire.
« Dans cette situation, la désintégration habituellement dominante par l’émission d’un seul rayon gamma est interdite, puisque le rayon gamma doit enlever un spin intrinsèque d’une unité », explique le chef de projet, Wolfram Korten, scientifique à l’Irfu. « De même, tous les autres types de désintégration concurrents, tels que le transfert de l’énergie à un électron atomique, ne sont pas non plus possibles, car nous avons intentionnellement enlevé tous les électrons. Par conséquent, la désintégration double-gamma devient le mode de désintégration dominant ».
Les scientifiques ont utilisé cette situation pour mesurer directement la demi-vie partielle de la décroissance double-gamma.
Cette mesure repose aussi sur une autre innovation technologique qui utilise l’anneau de stockage expérimental ESR au GSI/FAIR sur un mode spécial, dit ‘isochrone’, de sorte que les différences de vitesse soient exactement compensées par les différentes longueurs des trajectoires des ions.
Cela nous a permis de séparer de manière fiable l’état fondamental et l’état excité des ions de 72Ge malgré leur très faible différence de masse relative (de l’ordre de 10-6), en suivant chaque ion dans l’état isomérique de manière non destructive et en déterminant avec précision le moment de sa désintégration. Cela nous a permis de déterminer la demi-vie de la décroissance double-gamma de l’état excité 0+ dans le 72Ge à 23,9(6) millisecondes, ce qui est cinquante mille fois plus long que dans l’état atomique et s’écarte fortement des attentes théoriques. Avec cette durée de demi-vie, il devrait être possible d’observer directement les rayons gamma lors d’une expérience dédiée et résoudre le mystère de cette demi-vie étrangement courte.
Plus généralement, la nouvelle technique développée a rendu possible la mesure de demi-vie d’au moins deux ordres de grandeur plus courte que la durée de vie la plus courte mesurée directement à ce jour pour des ions stockés dans un état de charge très élevé. Cette technique très prometteuse va maintenant être appliquée à d’autres isomères à des énergies d’excitation de l’ordre de 100 keV et des demi-vies courtes de l’ordre de quelques ms, permettant peut-être la découverte d’isomètres inconnus jusqu’à présent sur l’ensemble de la carte nucléaire.
[1] D. Freire-Fernandez et al. Phys. Rev. Lett. 133, 022502 (2024).
Contact: Wolfram KORTEN
