Développement et caractérisation du double piège de Penning PIPERADE et mesures de masses d'isotopes riches en neutrons proches de N=40

Development and characterisation of the double Penning trap PIPERADE and mass measurements of neutron-rich isotopes near N=40

• Auteur / Autrice : Mathieu Flayol
• Direction : Stéphane Grévy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Deux Infinis (Bordeaux ; 2022-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadezda Smirnova
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vladimir Manea
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sarah Naimi, Maxime Brodeur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Masse (physique) -- Mesure

Ions piégés

Noyaux exotiques

Mots clés libres

Noyaux exotiques

Pièges à ions

Mesures de masse

Mass measurements

Exotic nuclei

Ion traps

Résumé

L’objectif de cette thèse est le développement et la caractérisation du double piège de Penning PIPERADE (PIèges de PEnning pour les RAdionucléides à DESIR) au LP2i Bordeaux, ainsi que la réalisation de mesures de masses dans la région de N=40 à l’Université de Jyväskylä,en Finlande. La spectrométrie de masse à l’aide de pièges de Penning permet de mesurer les masses des noyaux atomiques avec une très grande précision. Les énergies de liaison nucléaire, déduites de ces masses atomiques, sont essentielles pour étudier la structure des noyaux exotiques et pour contraindre les modèles de physique nucléaire. PIPERADE est dédié aux mesures de masse de précision et à la sélection d’ions exotiques d’intérêt pour l’installation de recherche DESIR (Désintégration, Excitation et Stockage d’Ions Radioactifs) du laboratoire GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds). Ce travail présente la mise en œuvre des différentes techniques de purification et de mesure de masse ainsi que l’installation d’un nouveau détecteur sensible en position basé sur des galettes à microcanaux et avec trois couches de lignes à retard. La première technique étudiée est la purification par refroidissement avec gaz tampon (''Buffer Gas Cooling'', BGC), suivie de la méthode ''Time-Of-Flight Ion Cyclotron Resonance'' (ToF-ICR), appliquée pour la première fois avec PIPERADE en novembre 2021. L’optimisation de ces deux techniques a ensuite été poursuivie parallèlement à la mise en place d’une nouvelle méthode, la ''Phase-Imaging Ion Cyclotron Resonance'' (PI-ICR).Cette méthode a été appliquée avec succès pour la première fois sur PIPERADE en septembre 2023, suivie d’une optimisation continue des trois techniques. Ce travail présente également les premières mesures de masse utilisant les techniques ToF-ICR et PI-ICR sur PIPERADE. Dans la seconde partie de cette thèse, des mesures de masses de noyaux riches en neutrons ont été effectuées avec le piège de Penning JYFLTRAP, sur l’installation IGISOL. Les masses des états fondamentaux et isomériques des isotopes du cobalt 68Co à 70Co, ont été mesurées,soit pour la première fois pour les états isomériques des 68Co et 70Co, soit avec une précision grandement améliorée pour les autres. La masse de l’état fondamental du 79Ge ainsi que celle du 73Ni ont également été mesurées. L’analyse des résultats a permis de comparer les nouvelles valeurs de masses aux prédictions des modèles théoriques tels que le Large Scale Shell Model(LSSM) et le Discrete Nonorthogonal Shell Model (DNO-SM). Ces résultats ont un impact direct sur la compréhension du gap N=40 et de la région de l’îlot d’inversion.

The objective of this thesis focuses on the development and characterization of the PIPERADE double Penning trap (PIèges de PEnning pour les RAdionucléides à DESIR) at LP2i Bordeaux, as well as on mass measurements in the N=40 region conducted at the University of Jyväskylä, Finland. Mass spectrometry with Penning traps allows for the precise measurement of atomic nuclei masses. Nuclear binding energies, derived from atomic masses, are crucial for studying the structure of exotic nuclei and constraining nuclear physics models. PIPERADE is dedicated to precision mass measurements and the selection of exotic ions of interest within the DESIR (Désintégration, Excitation et Stockage d’Ions Radioactifs) research facility at GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds). This work presents the implementation of various purification and mass measurement techniques as well as the implementation of a new position-sensitive detector using microchannel plates and with three-layerdelay-lines. The first technique explored is purification by Buffer Gas Cooling (BGC), followed by the ''Time-of-Flight Ion Cyclotron Resonance'' (ToF-ICR), applied for the first time with PIPERADE in November 2021. The optimization of these two techniques was subsequently pursued in parallel with the implementation of a new method, the ''Phase-Imaging Ion CyclotronResonance'' (PI-ICR). This method was successfully applied for the first time on PIPERADE in September 2023. This work also presents the first mass measurements using the ToF-ICR andPI-ICR techniques on PIPERADE. In the second part of the thesis, mass measurements of neutron-rich nuclei were performed using the JYFLTRAP Penning trap, at the IGISOL facility. The masses of both ground and isomeric states of the isotopes of cobalt 68Co to 70Co, were measured, either for the first time for the isomeric states of 68Co and 70Co or with greatly improved precision for the others. The masses of the ground states of 79Ge and 73Ni were also measured. The analysis of the results allowed for comparison with theoretical models such as the Large Scale Shell Model (LSSM)and the Discrete Nonorthogonal Shell Model (DNO-SM). The results have a direct impact on understanding the N=40 gap and the region of the island of inversion.