Structure nucléaire au seuil d'émission d'un neutron et en dessous explorée par la décroissance béta de ⁸²,⁸³Ga et ⁸⁶As

Nuclear structure at the neutron emission threshold and below explored via beta-decays of ⁸²,⁸³Ga and ⁸⁶As

• Auteur / Autrice : Lama Al Ayoubi
• Direction : Iolanda Matea, Anu Kankainen, Ari Jokinen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance le 25/04/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Jyväskylän yliopisto
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....) - Accelerator laboratory (Jyväskylä, Finlande)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : María José García Borge
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muhsin Harakeh, Robert Page, David Verney
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muhsin Harakeh, Robert Page

Mots clés

Mots clés contrôlés

Désintégration bêta

Faisceaux d'ions radioactifs

Structure nucléaire

Scintillateurs

Spectrométrie gamma

Mots clés libres

Structure nucléaire

Décroissance béta

Résonance dipolaire pygmée

Processus r

Noyaux riches en neutrons

Spectroscopie de désintégration

Probabilité d’émission de neutrons

Nuclear structure

Beta-decay

Pygmy dipole resonance

R-process

Neutron-rich nuclei

Decay spectroscopy

Neutron emission probability

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse est axé sur l'étude de la décroissance β des noyaux riches en neutrons autour de la fermeture de couches N=50, en s’interessant particulièrement à la population des états de haute énergie, autour du seuil d'émission des neutrons. Quelle est la structure de ces états, s'agit-il d'états dipolaires pygmées (PDR), comment la décroissance bêta est-elle liée aux états PDR sont quelques-unes des questions qui ont motivé cette étude. Les recherches ont été menées au moyen de deux expériences complémentaires. La première a été réalisée auprès d'ALTO (Accélérateur Linéaire et Tandem d'Orsay) et a été dédiée à l’étude de la spectroscopie γ-retardée de ⁸²,⁸³Ge en utilisant les scintillateurs PARIS (Photon Array for studies with Radioactive Ion and Stable beams) et les détecteurs HPGe. La seconde expérience, visant à étudier la spectroscopie γ retardée de ⁸⁶Se, a été réalisée dans l'installation IGISOL (Ion Guide Isotope Separator On-Line) du JYFL Accelerator Laboratory de l'Université de Jyväskylä. Pour cette dernière expérience, le piège de Penning JYFLTRAP a été utilisé pour fournir des échantillons purs de ⁸⁶As et la spectroscopie gamma retardée β a été réalisée avec des détecteurs HPGe. Une analyse détaillée des deux expériences est présentée dans ce manuscrit. Les schémas de niveaux des noyaux fils de la décroissance β, ⁸²Ge (N=50), ⁸³Ge (N=51), et ⁸⁶Se (N=52), ont été mis à jour, et plus de 80 nouvelles transitions γ ont été observées. Des transitions gamma d'une énergie supérieure au seuil de séparation d'un neutron ont été détectées pour la première fois dans ⁸²Ge. De plus, de nouvelles transitions gamma suivant l'émission bêta retardée des neutrons ont été observées à la fois dans le ⁸¹Ge et le ⁸⁵Se. Les demi-vies du ⁸²,⁸³Ga et du ⁸⁶As ont été mesurées ainsi que les probabilités d'émission de neutrons, Pn, du ⁸³Ga et du ⁸⁶As. Les états de haute énergie peuplés dans la décroissance β de ⁸²Ga se trouvent dans une région où l'on s'attend à ce que la PDR apparaisse. Les calculs QRPA et pnQRPA ont été effectués pour les distributions B(E1) et B(GT) pour ⁸²Ge. Les distributions calculées de la force de B(E1) montrent une force dipolaire basse compatible avec le PDR. La composition des états PDR calculés est accessible en termes d'excitations quasi-particulaires (qp) et aux densités de transition des neutrons et des protons. En comparant les spectres B(E1) et B(GT) expérimentaux et calculés et en gardant à l'esprit que la décroissance β ne peut se connecter aux états finaux qu'à travers des règles de sélection particulières, on discute la structure des états situés à haute énergie autour du seuil de séparation des neutrons peuplées par la décroissance bêta et qui se connectent directement à l'état fondamental ou à l'état 2⁺ dans ⁸²Ge, ainsi que de l’éventuel caractère dipolaire des transitions.

The work presented in this Ph.D. thesis focuses on the β-decay studies of neutron-rich nuclei around the N=50 shell closure, with a particular interest in the population of high energy states around the neutron emission threshold. What is the structure of these states, are they Pygmy Dipole States (PDR), and how does beta-decay connect to PDR states are some of the questions that motivated this study. The research was conducted through two complementary experiments. The first was performed at the ALTO facility (Accélérateur Linéaire et Tandem d’Orsay) and aimed at studying β-delayed gamma spectroscopy of ⁸²,⁸³Ge using PARIS (Photon Array for studies with Radioactive Ion and Stable beams) scintillators and HPGe detectors. The second experiment, aiming at the study of β-delayed gamma spectroscopy of ⁸⁶Se, was carried out at the Ion Guide Isotope Separator On-Line (IGISOL) facility of the JYFL Accelerator Laboratory at the University of Jyväskylä. For the latter experiment, the JYFLTRAP Penning trap was used to provide pure samples of ⁸⁶As and the β-delayed gamma spectroscopy was performed with high-resolution germanium detectors. A detailed analysis of the two experiments is presented. The level schemes of the β-decay daughters, ⁸²Ge (N=50), ⁸³Ge (N=51), and ⁸⁶Se (N=52), were updated, and more than 80 new γ-ray transitions were observed. γ-ray transitions with energies higher than the neutron separation energy were detected for the first time in ⁸²Ge. In addition, new gamma-ray transitions following the beta-delayed neutron emission were observed in both ⁸¹Ge and ⁸⁵Se. The half-lives of ⁸²,⁸³Ga and ⁸⁶As were measured as well as the neutron emission probabilities, P of both ⁸³Ga and ⁸⁶As. The high-energy states populated in the β-decay of ⁸²Ga lie in a region where PDR is expected to appear. QRPA and pnQRPA calculations have been performed for the electric dipole B(E1) and Gamow-Teller strength B(GT) distributions for ⁸²Ge. Calculated B(E1) strength distributions show a low-lying dipole strength compatible with PDR. The composition of the calculated PDR states can be accessed in terms of quasi-particle (qp) excitations and neutron and proton transition densities. Comparing the experimental and calculated B(E1) and B(GT) distributions and keeping in mind that β-decay can only connect with final states through particular selection rules, this work discusses the structure of states populated by beta-decay lying at high energy around the neutron separation energy that connect directly to the ground or the 2⁺ state in ⁸²Ge and their eventual dipole character.