Caractérisation du multi-détecteur GABRIELA et spectroscopie de décroissance des noyaux ²⁵⁵Rf et ²⁵¹No

Characterization of the multi-detector GABRIELA and decay spectroscopy of ²⁵⁵Rf and ²⁵¹No

• Auteur / Autrice : Rikel Chakma
• Direction : Araceli Lopez-Martens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et réactions nucléaires
• Date : Soutenance le 27/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Theisen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Herzberg Rolf-Dietmar, Olivier Stézowski, Stéphane Grévy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Herzberg Rolf-Dietmar, Olivier Stézowski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure nucléaire

Spectroscopie électronique

Spectrométrie gamma

Détecteurs à semiconducteurs

Spectroscopie alpha

Mots clés libres

Noyaux super lourds

Spectroscopie gamma

Spectroscopie électronique à conversion interne

Spectroscopie alpha

Caractérisation des détecteurs

Simulation Geant4

Structure nucléaire

Superheavy nuclei

Gamma-Ray spectroscopy

Internal conversion electron spectroscopy

Alpha spectroscopy

Detector characterization

Geant4 simulation

Nuclear structure

Résumé

Une question sans réponse qui se trouve au carrefour de la physique et de la chimie est : quelle est la limite du tableau périodique. Les théories nucléaires suggèrent l'existence de ce qu'on appelle ''l'îlôt de stabilité'', habitée par des éléments super-lourds à longue durée de vie. Ces éléments ne doivent leur existence qu’à d’importants effets quantiques. Ainsi, les éléments super-lourds forment un laboratoire unique pour l'étude de la structure et de la dynamique nucléaires sous l'influence d’une très forte répulsion Coulombienne entre les nombreux protons du noyau. Cependant, un défi théorique réside dans la prédiction de la position exacte de cet îlôt, car différents modèles prédisent la position des prochaines fermetures de couches au delà de Z=82 et N=126 à Z = 114, 120 ou 126, et N = 172, 184 de façon plutôt inharmonieuse. Pour mieux comprendre le comportement de la matière nucléaire dans des conditions extrêmes du nombre de protons et de neutrons et contraindre les modèles nucléaires, il est donc nécessaire d'étudier la nature et la séquence d’états dans des noyaux transactinides plus légers et plus accessibles par des études spectroscopiques. Dans ce travail, des états de ²⁵⁵Rf ont été peuplés par la réaction de fusion-évaporation ⁵⁰Ti(²⁰⁷Pb, 2n)²⁵⁵Rf en utilisant un faisceau intense de ⁵⁰Ti fourni par le cyclotron U400 du FLNR à Dubna. Les résidus d'évaporation ont été séparés du faisceau et du fond d'autres produits de réaction à l'aide du séparateur de noyaux de recul SHELS et implantés dans le détecteur d'implantation du dispositif GABRIELA. Le multidétecteur GABRIELA permet d'effectuer des corrélations de temps et en position entre les noyaux implantés et leurs désintégrations ultérieures et est sensible à l'émission de rayonnemments gamma, d'électrons de conversion interne, de particules alpha et de produits de fission. Pour interpréter les spectres de désintégration expérimentaux, le multidétecteur GABRIELA a été caractérisé à l'aide de simulations GEANT4, qui ont été validées avec des données d'étalonnage. En particulier, l'impact des effets de sommation sur l'efficacité de la détection des rayons gamma et des électrons a été étudié et a montré que les simulations sont essentielles pour interpréter des résultats expérimentaux obtenus grâce à des dispositifs compactes et efficaces comme GABRIELA. Une nouvelle méthode pour estimer le profil de profondeur d'implantation des résidus d'évaporation a été mise au point, ce qui est essentiel notamment pour la spectroscopie des électrons de conversion interne.Afin de pouvoir utiliser GEANT4 pour des éléments plus lourds que Fm (Z=100), le code source a été modifié et les données de fluorescence et d’émission Auger ont été extrapolées pour permettre des simulations précises de décroissances radioactives jusqu'à l’élément Rf. En utilisant les données expérimentales obtenues sur le noyau ²⁵⁷Rf étudié à Dubna et le schéma de désintégration connu de l'isomère 21/2+ de haut K, la fonctionnalité du code GEANT4 modifié a été validée. Les simulations ont ensuite été utilisées pour étudier la structure fine de décroissance alpha du ²⁵⁵Rf et dériver les rapports d’embranchements vers les états du ²⁵¹No. Les rapports d’embranchements de décroissance gamma et les coefficients de conversion interne de transitions du ²⁵¹No ont également été extraits. Dans le ²⁵⁵Rf, deux nouveaux états isomériques de haut K ont été identifiés et l'existence à basse énergie d’excitation d'un isomère de spin a été confirmée. Les comparaisons quantitatives et qualitatives des spectres expérimentaux aux simulations ont permis d'établir les schémas de désexcitation les plus probables et d'assigner les configurations quasi-particules possibles pour les 3 isomères.

One unanswered question that lies at the crossroad of physics and chemistry is: what is the limit of the periodic table. Nuclear theories suggest the existence of the so-called ''island of stability'', inhabited by long-lived superheavy elements. These elements can materialize only because of strong quantum shell stabilizing effects. Thus, superheavy elements form a unique laboratory for studying nuclear structure and dynamics under the influence of very large Coulomb forces between the numerous protons in the nucleus. However, a theoretical challenge lies in the prediction the exact position of this island as different models predict the position of the next shell closures at Z = 114, 120, or 126, and N=172, 184 beyond the closed spherical shells at Z = 82 and N = 126 rather inharmoniously. To better understand the behavior of nuclear matter for extreme values of proton and neutron numbers and constrain nuclear models it is, therefore, necessary to investigate the nature and sequence of states in lighter, more accessible, transactinide nuclei through spectroscopic studies. In this work, states of ²⁵⁵Rf were populated through the fusion-evaporation reaction ⁵⁰Ti(²⁰⁷Pb,2n)²⁵⁵Rf using an intense ⁵⁰Ti beam provided by the U400 cyclotron of FLNR in Dubna. The evaporation residues were separated from the beam and background of other reaction products using the recoil separator SHELS and implanted into the implantation detector of the GABRIELA setup. The GABRIELA multidetector array allows to perform time and position correlations between the implanted nuclei and their subsequent decays and is sensitive to the emission of gamma rays, internal conversion electrons, alpha particles and fission products. To interpret the experimental decay spectra, the GABRIELA multidetector was characterized using GEANT4 simulations, which were validated with calibration data. In particular, the impact of summing on the gamma-ray- and electron-detection efficiencies was investigated and showed that simulations are vital for interpreting experimental results obtained using compact and efficient setups like GABRIELA. A novel method to estimate the implantation depth profile of the evaporation residues was devised, which is essential especially for internal-conversion-electron spectroscopy.To be able to use GEANT4 for elements heavier than Fm (Z=100), the source code was modified and the Fluorescence and the Auger emission data were extrapolated to allow accurate radioactive decay simulations up to the element Rf. Using ²⁵⁷Rf experimental data obtained in Dubna and the known decay scheme of the 21/2+ high-K isomer, the functionality of the modified GEANT4 code was validated. Simulations were then used to study the fine structure alpha decay of ²⁵⁵Rf and derive branching ratios to states in ²⁵¹No. The gamma-decay branching ratios and internal conversion coefficients for transitions in ²⁵¹No were also extracted. In ²⁵⁵Rf, two new high-K isomeric states were identified and the existence of a low-lying spin isomer was confirmed. Quantitative and qualitative comparisons of the experimental spectra to simulations have allowed to establish the likely decay schemes and assign possible quasiparticle configurations for all 3 isomers.