Étude de la rétro décroissance gamma des isomères de fission des actinides avec le spectromètre nu-Ball 2

Investigation of the gamma-back decay from shape isomers in actinides with the nu-Ball 2 spectrometer

• Auteur / Autrice : Corentin Hiver
• Direction : Jonathan Wilson, Gabriel Charles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• 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 : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (Orsay ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : David Verney
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Silvia Leoni, Beatriz Jurado, Stephen Oberstedt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Silvia Leoni, Beatriz Jurado
• DOI : 10.70675/184575edze6e9z44dfzb679za5c87c5c9a89

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique nucléaire

Physique nucléaire -- Instruments

Spectrométrie gamma

Fission nucléaire

Isomérie

Mots clés libres

Physique nucléaire

Isomère de forme

Isomère de fission

Rétro-Décroissance gamma

Spectrométrie gamma

Nu-Ball 2

Nuclear physics

Shape isomer

Fission isomer

Gamma back-Decay

Gamma spectroscopy

Nu-Ball 2

Résumé

Les isomères de forme (IF) dans les noyaux d'actinides sont des états métastables formés dans le deuxième puits de potentiel super-déformé prolate, leur donnant une forme similaire à un ballon de rugby. Leur principal mode de désintégration est la fission spontanée. Cependant, une précédente expérience a présenté des preuves solides de l'existence d'une branche de rétro-décroissance γ concurrente, dépeuplant l'IF vers les états normalement déformés. Cette expérience, réalisée à GSI en 1989, a rapporté une section efficace relative de σᵧ prompts / σᵧ retardés = 10⁻⁴.L'objectif principal de cette thèse est de reproduire et d'affiner cette expérience en utilisant des technologies de pointe. À cette fin, le spectromètre nu-Ball 2 a été construit à la plateforme ALTO d'IJCLab puis caractérisé. Ce complexe spectromètre hybride permet une spectrométrie gamma à haute résolution grâce à ses 24 Clovers HPGe, ainsi qu'une capacité de calorimétrie permise par l'efficacité élevée et la bonne couverture angulaire des boucliers anti-Compton BGO et des 64 phoswich PARIS constituant le spectromètre.Les réactions ²³⁵U(d,p)²³⁶IIU et ²³²Th(d,*)²³¹⋅²³²⋅²³³Th ont été utilisées pour produire les IFs d'intérêt. Les principaux objectifs expérimentaux sont la spectrométrie à haute résolution a) des γ de la rétro décroissance de l'IF ²³⁶IIU, b) des γ prompts alimentant l'IF ²³⁶IIU à partir des états peuplés dans le puits de potentiel déformé et c) des éventuels γ de rétro décroissance des IFs encore inconnus dans les isotopes du thorium.Un résultat secondaire montre la première observation des γ prompts alimentant l'isomère K présent dans puits de potentiel normalement déformé ²³⁶IU, le reliant aux états peuplés par la réaction dans ce puits.Cependant, malgré une très bonne sensibilité expérimentale, les résultats de l'expérience de GSI n'ont pas été confirmés. Cela suggère que la taille de la branche gamma, si cette dernière existe, doit être inférieure à 10⁻⁴ et au mieux comparable à celle de la branche fission.Après une réanalyse des systématiques des demi-vies des IFs, il apparaît qu'il n'est pas nécessaire de postuler l'existence d'une branche gamma dans les isotopes de l'uranium, car leurs durées de vie suivent correctement la tendance sous-jacente avec la fissilité.La conclusion est que les IFs sont encore très mal compris et devraient être réexaminés en utilisant des techniques modernes afin de mieux comprendre la nature des états dans le deuxième minimum ainsi que leurs modes de désintégration.

Shape isomers (SI) in actinide nuclei are metastable states lying in the second super-deformed prolate potential well with a rugby ball-like shape. Their main decay mode is spontaneous fission. However, a previous experiment presented strong evidence for the existence of a competing γ back-decay branch, depopulating the SI back to normally deformed states in ²³⁶IU. This experiment, carried out at GSI in 1989, reported a relative cross-section of σᵧ prompt / σᵧ delayed = 10⁻⁴.The main aim of this thesis is to reproduce and refine this experiment using state-of-the-art technology. To carry out this experiment, the nu-Ball2 spectrometer was constructed at the ALTO facility of IJCLab, then characterized. This complex hybrid spectrometer allows for high-resolution gamma spectroscopy thanks to its 24 HPGe Clovers, and calorimetry capabilities thanks to the high-efficiency and large solid angle coverage of the BGO anti-Compton shields and additional 64 PARIS phoswich detectors. The DSSD placed in the reaction chamber allows for light particle energy measurement.The ²³⁵U(d,p)²³⁶IIU and ²³²Th(d,*)²³¹⋅²³²⋅²³³Th reactions were used to produce the SI of interest. The main experimental goals are to perform a high-resolution spectroscopy of a) the γ decay of the SI²³⁶IIU, b) the prompt γ-feeding of the SI from states in the deformed potential well and c) of the as-yet-unobserved SI in the Thorium isotopes.A novel side-result shows the previously unobserved prompt γ-feeding of the K-isomer connecting states populated in the normally deformed potential well.However, despite having a very high experimental sensitivity, the results of the previous experiment are not confirmed. This suggests that the size of the gamma branch, if it exists at all, must be lower than 10⁻⁴ and comparable in size to that of the fission branch.After a re-analysis of the isomeric fission half-lives systematics, it appears that contrary to the “conventional wisdom”, there is no need to postulate the existence of a gamma branch in the Uranium isotopes, since their lifetimes closely follow the underlying trend with fissility. The conclusion is that SI are still very poorly understood and need to be reexamined using modern techniques to understand better the nature of the states in the second minimum and their decay modes.