CEA - DAM - Physique Nucléaire

Au Ganil

l'expérience NEEC : excitation nucléaire par capture électronique

Dans les plasmas, un processus d’excitation nucléaire majeur est l’excitation par capture électronique. Un électron libre est capturé sur une couche atomique où se trouve un emplacement électronique vacant et il cède son excédent d’énergie au noyau qui s’excite. Ce phénomène est prédit théoriquement mais n’a encore jamais été mis en évidence expérimentalement.

Une expérience dédiée à son observation a été proposée, en collaboration avec le Groupe de Physique des Solides de l’Université Paris VII, l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon, le CEA Saclay, le CIRIL, le GANIL, le CENBG et le GSI Darmstadt. Cette proposition a été acceptée par le comité d’expérience (Program Advisory Committee) du GANIL en janvier 2003. Elle a été réalisée en septembre 2004 et son dépouillement est en cours.

L’expérience poursuit deux objectifs :

		Apporter la preuve expérimentale de l’existence du NEEC ;
		Valider les calculs des sections efficaces utilisées actuellement.

L’expérience est conçue en cinématique inverse : un faisceau de noyaux de fer 57 complètement ionisé, susceptibles d’être excités par NEEC, traverse une cible d’électrons. Si le NEEC se produit dans la cible, le noyau de fer se retrouve dans l’état 25⁺. La désexcitation par conversion interne est possible, ramenant l’atome de fer dans l’état 26⁺.

Le principe de la mesure consiste à compter les atomes de fer qui traverse un premier dipôle dans l’état 25⁺, puis un second dipôle dans l’état 26⁺, ce qui correspond au noyau excité par NEEC dans la cible, et dont la désexcitation par conversion interne survient entre les deux dipôles.

La cible est en fait un monocristal de silicium. Si le faisceau de fer est parfaitement aligné avec un plan du cristal, il n’interagit pas avec les atomes du réseau cristallin, mais seulement avec les électrons de valence du cristal.

		Nous proposons d’utiliser un faisceau stable de ⁵⁷Fe²⁶⁺ qui a la particularité d’avoir son premier état excité connu pour être un isomère avec une énergie d’excitation de 14.4129 keV. La durée de vie de ce niveau est de 98.3(3) ns pour l’atome neutre et de 79(6) ns pour l’état de charge 25+. Le schéma de niveaux des transitions nucléaire et atomique du ⁵⁷Fe²⁵⁺ est présenté sur la figure ci-contre. La transition atomique correspond à la capture d’un électron libre, ayant une énergie cinétique E_e, par la couche atomique K. Un phénomène de résonance apparaît alors lorsque l’énergie de la transition nucléaire est égale à l’énergie de l’électron libre E_e plus l’énergie de liaison de la couche atomique où la capture s’effectue. En considérant l’énergie de liaison de la couche atomique K, le processus résonant est attendu pour un faisceau ayant une énergie de 533.5 MeV. La probabilité d’avoir une excitation NEEC par ion incident est de 8.10^-10.
Excitation par NEEC sur le ⁵⁷Fe
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Le dispositif expérimental est décrit dans la figure ci-contre. La distance qui sépare les deux dipôles du spectromètre LISE est de 5.6 m, elle permettra la décroissance en vol d'environ 40% des isomères Fe²⁵⁺ vers l'état fondamental du Fe²⁶⁺ par conversion interne. La détection des ions Fe²⁶⁺ après le second dipôle, quand l'énergie du faisceau incident correspondra à l'énergie de la résonance, sera donc la signature expérimentale du processus NEEC. Le nombre de ces ions par rapport au nombre d'ions présents dans le faisceau nous permettra d'extraire la section efficace du processus NEEC.
		Dispositif expérimental
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La source principale de bruit de fond de l'expérience vient des noyaux qui effectuent une capture électronique radiative dans le cristal. L'énergie cédée par l'électron capturé est emportée par l'émission d'un photon sans produire d'excitation nucléaire. Ce phénomène est environ 10⁷ fois plus probable dans le cristal qu'une capture NEEC. Il peut générer des événements comptabilisés à la sortie des dipôles si l'atome Fe²⁵⁺ perd son électron entre les deux dipôles par un choc avec le gaz résiduel. L'estimation du bruit de fond, en prenant en compte tous les phénomènes produits, est de 2.10^-9. En mesurant le taux de comptage à l'énergie de la résonance et à ±3σ de celle-ci, nous espérons valider le processus NEEC et améliorer sa compréhension.

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