La désexcitation nucléaire en deux photons, c.à.d. la décroissance par émission de deux rayons gamma, est un mode de désexcitation rare du noyau atomique, au cours duquel un noyau excité émet deux rayons gamma simultanément pour revenir à l’état fondamental. Les noyaux pair-pair ayant un premier état excité 0+ sont des cas favorables pour rechercher la décroissance double gamma puisque l’émission d’un seul rayon gamma est strictement interdite pour les transitions 0+ -> 0+ par conservation du moment angulaire. Cette décroissance présente toujours un très petit rapport d’embranchement (<1E-4) en comparaison avec les autres modes de désexcitation possibles, soit par l’émission d’électrons de conversion interne (ICE) soit la création de paires positron-électron (e+-e-) (IPC). Nous utiliserons donc une nouvelle technique pour rechercher la décroissance double gamma: l’étude de la désexcitation d’un état isomérique 0+ de basse énergie dans les ions nus, c.-à-d. entièrement épluchés de leurs électrons atomiques. L’idée de base de l’expérience est de produire, sélectionner et stocker les noyaux dans leur état isomérique 0+ dans l’anneau de stockage de l’installation GSI en Allemagne. Lorsque le noyau est entouré du cortège électronique l’état 0+ excité est un état isomérique à durée de vie assez courte, de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanosecondes. Toutefois, aux énergies relativistes disponibles à GSI, tous les ions sont entièrement épluchés de leurs électrons atomiques et la désexcitation par ICE n’est donc pas possible. Si l’état d’intérêt est situé en dessous du seuil de création de paires, le processus IPC n’est pas possible non plus. Par conséquent, les noyaux nus sont piégés dans un état isomérique de longue durée de vie, qui ne peut se désintégrer que par émission de deux rayons gamma vers l’état fondamental. La désexcitation de l’isomère serait identifiée par spectroscopie de masse Schottky (SMS) à résolution temporelle. Cette méthode permet de distinguer l’isomère de l’état fondamental par la (très légère) différence de leur temps de révolution dans l’ESR, et d’observer la disparition du pic de l’isomère dans le spectre de masse avec un temps de décroissance caractéristique. Après une première expérience réussie qui a fait preuve de la décroissance double gamma dans l'isotope 72Ge une nouvelle expérience a été accepté par le comité d’expériences de GSI et son réalisation est prévu en 2024.

La méthode CRAB vise à calibrer de manière absolue les détecteurs cryogéniques utilisés dans les expériences de recherche de matière noire et de diffusion cohérente de neutrinos. Ces expériences ont en commun le fait que le signal recherché est un recul nucléaire de très basse énergie (quelque 100 eV) nécessitant des détecteurs avec une résolution de quelques eV et un seuil de O(10eV). Or jusqu’à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d’énergie connue pour caractériser la réponse de ces détecteurs. L’idée principale de la méthode CRAB, détaillée ici [1,2], est d’induire une réaction de capture avec des neutrons thermiques (énergie de 25 meV) sur les noyaux constituant le détecteur cryogénique. Le noyau composé résultant a une énergie d’excitation bien connue, l’énergie de séparation d’un neutron, comprise entre 5 et 8 MeV selon les isotopes. Dans le cas où il se désexcite en émettant qu’un seul photon gamma, le noyau va reculer avec une énergie qui est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Un pic de calibration, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV, apparaît alors dans le spectre en énergie du détecteur cryogénique. Une première mesure réalisée, en 2022, avec un détecteur cryogénique en CaWO4 de l’expérience NUCLEUS (expérience de diffusion cohérente de neutrinos portée par TU-Munich et dans laquelle le CEA est fortement impliquée) a permis de valider la méthode [3].

Le travail de cette thèse s’inscrit dans la deuxième phase de ce projet qui consiste à réaliser des mesures de haute précision avec un faisceau de neutrons thermiques du réacteur TRIGA-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche). Deux approches complémentaires seront menées de front pour atteindre une haute précision : 1/ la configuration du détecteur cryogénique sera optimisée pour une très bonne résolution en énergie, 2/ de larges cristaux de BaF2 et de BGO seront placés autour du cryostat pour une détection en coïncidence du recul nucléaire dans le détecteur cryogénique et du rayon gamma qui a induit ce recul. Cette méthode de coïncidence réduira significativement le bruit de fond et permettra d’étendre la méthode CRAB à un plus large domaine d’énergie et aux matériaux constitutifs de la plupart des détecteurs cryogéniques. Nous attendons de ces mesures une caractérisation unique de la réponse des détecteurs cryogéniques, dans un domaine d’intérêt pour la recherche de la matière noire légère et la diffusion cohérente de neutrinos. La haute précision permettra également l’ouverture d’une fenêtre de sensibilité à des effets fins couplant de la physique nucléaire (temps de désexcitation du noyau) et de la physique du solide (temps de recul du noyau dans la matière, création de défauts cristallins lors du recul d’un noyau) [4].

L’étudiant(e) sera fortement impliqué dans tous les aspects de l’expérience : la simulation, l’installation sur site, l’analyse et l’interprétation des résultats obtenus.