Thèse Décroissance Nucléaire dans les Ions Fortement Chargés H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie Direction de la thèse : Sarah NAIMI ORCID 0000000342108741 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 Ce projet de thèse vise à étudier les processus de décroissance nucléaire dans les ions hautement chargés, avec un accent particulier sur l'excitation nucléaire par capture électronique (NEEC). Ce processus résonant correspond à la capture d'un électron libre dans un état atomique lié, accompagnée simultanément de l'excitation du noyau, offrant ainsi une voie originale pour explorer le couplage entre les degrés de liberté atomiques et nucléaires.

Le travail expérimental sera principalement réalisé à l'aide d'un piège à ions par faisceau d'électrons (EBIT), permettant la production, le confinement et l'étude d'ions hautement chargés dans des conditions contrôlées. Une partie centrale de la thèse consistera à développer un dispositif de piégeage et de purification du faisceau, destiné à sélectionner les isotopes d'intérêt avant leur injection dans l'EBIT. Ce système sera essentiel pour réduire le bruit de fond et permettre des mesures sensibles de canaux de décroissance rares.

En parallèle, le projet comprend une participation à une campagne expérimentale au TRIUMF, où des mesures complémentaires seront réalisées à l'aide de faisceaux d'ions radioactifs. Cela permettra d'accéder à une plus large gamme d'isotopes et de conditions expérimentales, renforçant ainsi l'étude de la NEEC et des processus de décroissance associés.

En combinant développement instrumental, mesures de précision et collaboration avec des infrastructures de grande envergure, ce travail vise à améliorer la compréhension de la décroissance nucléaire dans des environnements atomiques extrêmes et à apporter de nouvelles perspectives sur les mécanismes de couplage électron-noyau. The understanding of nuclear decay processes traditionally relies on the assumption that the nucleus is largely independent of its electronic environment. However, this approximation breaks down under extreme conditions, in particular in highly charged ions where the electronic structure is strongly altered. In such systems, the coupling between electrons and the nucleus can significantly affect nuclear properties, opening a new field of investigation at the interface between atomic and nuclear physics.

One of the most emblematic processes of this coupling is Nuclear Excitation by Electron Capture (NEEC), the resonant inverse of internal conversion, in which the capture of a free electron is accompanied by the excitation of the nucleus. Although predicted several decades ago, its experimental observation remains a major challenge due to extremely small cross sections and stringent resonance conditions.

The study of NEEC is part of a broader scientific effort aimed at understanding and ultimately controlling electron-nucleus interactions. This research is of fundamental interest for nuclear physics, in particular for nuclear structure and decay dynamics, and is also relevant to astrophysics, where highly ionized environments are common. In addition, it opens long-term perspectives related to the controlled triggering of nuclear transitions, especially in the context of isomeric states and nuclear energy storage, although such applications remain highly exploratory.

In this context, the development of innovative experimental approaches is essential. Electron Beam Ion Traps (EBITs) provide a unique platform to produce and study highly charged ions under controlled conditions, while achieving high isotopic purity is a key requirement to access rare processes. This project is therefore part of an international effort to push current experimental limits and to access phenomena that have so far remained unobserved. - Commission an ion production and purification system combining an ion source with a Zajfman-type electrostatic ion beam trap, in order to deliver isotopically pure beams of interest.

- Integrate and optimize the complete experimental setup by coupling the ion source and purification stage to the EBIT at IJCLab, and commission the full system (in synergy with another PhD project).

- Perform the first experimental investigations of Nuclear Excitation by Electron Capture (NEEC) in highly charged ions under controlled conditions.

- Contribute to an experimental campaign at TRIUMF, exploiting radioactive ion beams to extend the study to additional isotopes and complementary regimes (depending on facility scheduling).

- Carry out detailed data analysis to extract observables related to nuclear decay and NEEC processes, in close interaction with theory for interpretation and comparison with models.

- Disseminate the results through publications, conference presentations, and contributions to collaborative research efforts.