Recherche de la désintégration nucléaire en deux photons // investigation of the nuclear two-photon decay

Topic description

La désintégration nucléaire à deux photons, ou double-gamma, est un mode de désintégration très rare dans les noyaux atomiques, par lequel un noyau dans un état excité émet deux rayons gamma simultanément. Ce processus électromagnétique de deuxième ordre, bien connu en physique atomique, n'a été que peu étudié pour le noyau atomique en raison des effets de premier ordre largement prédominants. Les noyaux pairs avec un premier état excité 0+ sont des cas favorables à la recherche d'une branche de désintégration double-gamma, puisque l'émission d'un 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 l'anneau de stockage d'ions lourds (ESR) au GSI pour rechercher la désintégration double-gamma dans plusieurs nucléides. Pour les atomes neutres, l'état excité 0+ est un état isomérique à durée de vie plutôt courte, de l'ordre 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 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 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 l'état fondamental. La désintégration des isomères est identifiée par la spectroscopie de masse Schottky résolue dans le temps. Cette méthode permet de distinguer l'isomère et l'état fondamental par leur temps de révolution (très légèrement) différent dans l'ESR, et d'observer la disparition du pic de l'isomère 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 sur le nucleide Pb a été acceptée par le comité de programme du GSI et sa réalisation est planifie en .

La deuxième partie concerne l'observation directe des photons émis à l'aide 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 qu'en mesurant les photons eux-mêmes. Une expérience test a été réalisée pour étudier sa faisabilité et les plans d'une étude plus détaillée devraient être élaborés dans le cadre du projet de doctorat.

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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. This second-order electromagnetic process, well known in atomic physics, has been little studied for the atomic nucleus due to the largely predominant first-order processes. 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+ to 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).

The thesis project has two distinct experimental parts: First, we store bare (fully-stripped) ions in their excited 0+ state in the heavy-ion storage ring (ESR) at the GSI facility to search for the double-gamma decay in several nuclides. 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 is identified by so-called time-resolved Schottky Mass Spectroscopy. This method allows to distinguish the isomer and the ground 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. Successful experiment establishing the double-gamma decay in several nuclides (72Ge, 98Mo, 98Zr) were already performed and a new experiment to study the nuclide Pb has been accepted by the GSI Programme Committee and its realization is planned for .

The second part concerns the direct observation of the emitted photons using gamma-ray spectroscopy. While the storage ring experiments allow to measure the partial lifetime for the double gamma decay, further information on the nuclear properties can be only be achieved by measuring the photon themselves. A test experiment has been performed to study its feasibility and the plans a more detailed study should be developed with the PhD project.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique Nucléaire
Laboratoire : Laboratoire études du noyau atomique (LENA)
Date de début souhaitée : 01-10-
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : KORTEN Wolfram
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU/DPhN/LENA
URL :
URL : :

Funding category

Public/private mixed funding

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