Une énigme de la nucléosynthèse: le noyau ta-180 // a nucleosynthesis puzzle: the ta-180 nucleus

Topic description

Le processus de nucléosynthèse conduisant au Ta-, l'isotope « stable » le plus rare du système solaire, fait encore débat. Malgré d'importants efforts théoriques et expérimentaux, aucun mécanisme permettant de produire des quantités suffisantes de cet isotope n'a encore été identifié [1]. Le scénario le plus prometteur est celui d'une origine par processus s [2], mais la production de cet isotope par les processus p [3] et ν [4] a également été proposée. L'un des scénarios les plus probables dans le cadre de la nucléosynthèse par processus s est que, dans les conditions typiques de ce processus, le Hf- devient instable et subit une désintégration bêta, permettant la production de Ta_m- par capture de neutrons sur le Ta- instable. Dans l'environnement stellaire chaud, l'état isomérique quasi-stable J^pi=9^- serait facilement détruit par la population, induite thermiquement, de l'état fondamental de courte durée de vie. Ce couplage thermique entre l'isomère et l'état fondamental a été démontré dans des expériences de photoactivation [5]. Cette expérience a démontré la possibilité d'une absorption photonique résonante via un état intermédiaire (EI) à une énergie de 1,01 MeV. Comme le soulignent les auteurs, la durée de vie obtenue reste longue par rapport aux durées typiques du processus s et une spectroscopie détaillée du Ta- est nécessaire pour identifier tous les EI potentiels. Afin de valider l'un des scénarios astrophysiques possibles, une mesure précise de la section efficace de la radioactivité du Ta- [6] et une étude structurale détaillée du Ta- sont nécessaires. Cette dernière sera possible grâce à l'utilisation d'une cible radioactive de Ta- avec l'instrument FIPPS, le nouvel instrument de spectroscopie gamma de l'Institut Laue-Langevin de Grenoble. Un faisceau de neutrons thermiques intense, bien collimaté et sans halo induit des réactions (n,gamma) sur la cible. Les rayons gamma émis sont détectés par un réseau de détecteurs clovers au germanium. Les multipolarités des transitions sont déterminées par des mesures de distribution angulaire du rayonnement gamma émis et la parité par polarimétrie Compton avec les détecteurs clover. Des écrans en BGO pour une meilleure suppression de l'effet Compton et des détecteurs en LaBr3(Ce/Sr) pour des mesures de la durée de vie des niveaux intermédiaires, jusqu'à quelques picosecondes, complètent le dispositif. La zone expérimentale de FIPPS est équipée d'une casemate dédiée, légèrement sous-pressurisée et ventilée par filtration, permettant ainsi l'utilisation de cibles radioactives [8]. La production de la cible radioactive de Ta- sera réalisée aux Laboratoires nationaux de Los Alamos. Des expériences utilisant les installations de ces laboratoires seront également menées, en complément de l'expérience FIPPS, afin de résoudre l'énigme de la nucléosynthèse en alimentant des calculs astrophysiques avec des données de haute sensibilité.

[1] F. Käppeler et al., Rep. Prog. Phys. 52
[2] Zs. Németh et al., Astrophys. J.
[3] M. Rayet et al., Astron. Astrophys.
[4] S.E. Woosley et al., Astrophys. J.
[5] D. Belic et al., Phys. Rev. Lett. 83
[6] K. Wisshak et al., Phys. Rev. Lett. 87
[7] M. Schumann and F. Käppeler, Phys. Rev. C 60
[8] N. Marginean et al., Phys. Rev. Lett.
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The nucleosynthesis process leading to Ta-, the rarest “stable” isotope in the solar system is still under debate. Despite the considerable theoretical and experi-mental effort, a mechanism producing sufficient amounts of this isotope has not yet been identified [1]. The most promising scenario is the one of an s-process origin [2], but the production of this isotope through the p-process [3] and nu-process [4] has been also proposed. One of the most likely scenarios within the s-process nucleosynthesis is that under typical s-process conditions, Hf- becomes unstable and under-goes beta decay, allowing the production of Ta_m- through neutron capture on the unstable Ta-. In the hot stellar environment, the quasi-stable J^pi=9^- isomeric state would be easily destroyed by thermally induced population of the short-lived ground state. This thermal coupling between the isomer and the ground state has been demonstrated in photoactivation experiments [5]. This experiment demonstrated the possibility of resonant photon absorption through a possible intermediate state (IS) at 1.01 MeV energy. As pointed out by the authors, the resulting lifetime is still long with respect to the times typical of the s-process scenario and a detailed spectroscopy of Ta- is needed in order to identify all the possible IS candidates.
In order to validate one of the possible astrophysical scenarios, both a precise cross-section measurement on the radioactive Ta- [6] and a detailed structure study of the Ta- are needed. The latter will be possible by using a radioactive Ta- target at FIPPS, the new gamma-ray spectroscopy instrument at Institut Laue Langevin, Grenoble. An intense, well collimated and halo-free thermal neutron beam induces (n,gamma) reactions on the target. The emitted gamma rays are detected with an array of Ge clover detectors. The transition multipolarities are assigned via angular distribution measurements of the emitted gamma radiation and the parity by Compton polarimetry with the clover detectors. BGO shields for improved Compton suppression and LaBr3(Ce/Sr) detectors for fast timing measurements of intermediate level lifetimes down to few ps will complement the setup. The FIPPS experimental zone is equipped with a dedicated casemate at slight underpressure and filtered ventilation, thus permitting the use of radioactive targets [8].
The production of the Ta- radioactive target will be done at the Los Alamos National Laboratories. Experiments using facilities at these laboratories will also be performed, in complement to the FIPPS experiment in order to solve the nucleosynthesis puzzle by feeding astrophysical calculations with high-sensitivity data.

[1] F. Käppeler et al., Rep. Prog. Phys. 52
[2] Zs. Németh et al., Astrophys. J.
[3] M. Rayet et al., Astron. Astrophys.
[4] S.E. Woosley et al., Astrophys. J.
[5] D. Belic et al., Phys. Rev. Lett. 83
[6] K. Wisshak et al., Phys. Rev. Lett. 87
[7] M. Schumann and F. Käppeler, Phys. Rev. C 60
[8] N. Marginean et al., Phys. Rev. Lett.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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Concours pour un contrat doctoral