Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

La collision entre l’ion uranium et le proton se décrit par un processus en deux étapes appelé spallation. Tout d’abord, une succession d’interactions a lieu au cœur du noyau d’uranium entre ses nucléons et un proton de la cible. Pendant cette « cascade intranucléaire », le noyau atteint un état très excité. Il se désexcite ensuite en émettant des particules légères et il laisse un résidu lourd ou bien encore, comme c’est très souvent le cas pour un faisceau d’uranium, il fissionne. Les fragments très divers ainsi produits pour chaque réaction, quittent la cible avec une grande vitesse proche de celle du faisceau et totalement épluchés de leurs électrons. Cette technique de « cinématique inverse » permet alors de collecter la plupart de ces fragments de désexcitation dans la petite acceptance angulaire d’un puissant spectromètre magnétique (FRS), de les compter et de les identifier. Le spectromètre FRS est une succession d’aimants qui forment une ligne d’optique magnétique de plus de 60 mètres de long comportant quatre dipôles et 20 quadripôles, ce qui permet une mesure précises de l’impulsion des particules, mais seulement si elles sont émises dans un petit cône autour de l’axe optique, ce qui est le cas ici. Précisons que dans le sens normal (faisceau de proton sur cible d’uranium), ces mesures auraient été impossibles, la plupart des fragments de désexcitation ne quittant même pas la cible. Les produits de réaction ont pu être ainsi séparés et détectés avec une grande efficacité 250 nanosecondes environ après leur formation, donc avant une décroissance significative par radioactivité α ou β. Qu’ils soient stables ou instables, tous les fragments de fission et résidus lourds ont été identifiés suivant leur numéro atomique Z et leur nombre de masse A. Leur énergie cinétique a été déterminée de même que leur section efficace de production (exprimée en barn), c’est à dire leur probabilité de production. La mesure absolue de ces quantités fondamentale a été faite à 15% près et sur une dynamique de 5000 (entre 50 millibarns et 10 microbarns). Ce travail a ainsi permis de mesurer les sections efficaces de production d’un grand nombre des nucléides de la carte des noyaux (Fig 2) pour un processus nucléaire élémentaire d’interaction entre un proton énergique et un noyau.  

Ceci illustre bien l’apport capital de la technique dite de « cinématique inverse » rendue possible par les faisceaux d’ions lourds de haute énergie associés à un spectromètre magnétique de haute résolution (FRS) et disponibles au GSI. D’autres expériences similaires avec des faisceaux de plomb et de fer bombardant la cible d’hydrogène ont également été réalisées sur le même poste expérimental. Ce vaste ensemble de données est précieux pour mieux comprendre l’aspect fondamental des réactions de spallation et les modéliser. Un modèle plus fiable, décrivant l’étape de cascade intranucléaire, a d’ailleurs été élaboré par les physiciens du Service de Physique Nucléaire du Dapnia en collaboration avec un théoricien de Liège. Ces réactions sont mises en jeu dans les réacteurs sous-critiques pilotés par accélérateurs et qui sont étudiés comme systèmes de destruction des déchets à vie longue produits par l’industrie électronucléaire. Elles sont également importantes pour la conception des accélérateurs du futur visant à produire des isotopes rares ainsi qu’en astrophysique pour l’étude des rayonnements cosmiques et dans le domaine spatial. Les résultats de cette expérience ont été sélectionnés parmi les « highlights-2004 » de physique nucléaire publiés par Physical Review Letters (http://www.aip.org/pnu/2004/ « Mercator of the Nuclear World »)  

Contacts : Alain Boudard, Sylvie Leray