Les noyaux exotiques
Structure des noyaux exotiques par réactions directes

Le groupe de structure du DPhN mène des études expérimentales pour déterminer la structure et les réactions de noyaux radioactifs riches en neutrons éloignés de la vallée de stabilité. Ces noyaux à durée de vie limitée, instables, radioactifs, sont dits exotiques lorsqu'ils développent des structures inhabituelles (grande extension de matière, halo ou peau de neutrons, couches présentant de nouveaux nombres magiques). Les propriétés (taille du noyau, occupation des nucléons sur les couches) peuvent devenir très différentes de ce que l'on observe pour l'(les) isotope(s) stable(s). Les noyaux à la limite de la cohésion nucléaire, liés mais instables, comme les noyaux exotiques, permettent de faire évoluer les modèles nucléaires usuels.

Pour déterminer les propriétés nouvelles de ces noyaux et déterminer les modifications possibles de leur structure en couches, le groupe mesure des réactions directes qui font intervenir, soit comme produit, soit comme projectile, le noyau exotique que l'on veut étudier. De ces données sont extraites des éléments sur la structure du noyau, sa spectroscopie (énergies d'excitation) et son interaction avec une cible.

Le groupe mène principalement les programmes expérimentaux suivants :

-avec les faisceaux radioactifs disponibles à basse énergie (entre 10 et ~60 MeV/n) au Grand Accélérateur National des Ions Lourds (GANIL), à Caen,

-avec les faisceaux radioactifs rares de très faible intensité produits par l'installation RIBF de l'accélérateur de RIKEN au Japon, à des énergies allant de 150 à 300 MeV/n.

 

Ensemble de 8 télescopes MUST2 installés dans l’aire VAMOS au GANIL pour l’expérience E655S. [photo Irfu, V. Lapoux]

Les faisceaux radioactifs du GANIL sont produits soit par le dispositif SPIRAL (Source de Production d'Ions Radioactifs et d'Accélération en Ligne) ou par fragmentation de faisceaux stables sur la cible de production de l’aire LISE.

Techniques expérimentales avec les faisceaux du GANIL :

  • spectroscopie de particules légères chargées avec les détecteurs MUST2, (MUrs à STrips, 2e génération), conçus par les groupes de structure du GANIL, de l'IPN et de l'IRFU/SPhN avec les équipes techniques de ces laboratoires.
  • reconstruction des trajectoires incidentes avec les détecteurs de faisceau CATS (Chambre à Trajectoires De Saclay, développées par l'IRFU/SEDI)- BTD (Beam Tracking Detectors).
  • détection des éjectiles produits de réactions, focalisés aux angles à l'avant dans un spectromètre (par exemple VAMOS).

Programme expérimental du groupe avec le détecteur MUST2 : voir la page MUST2-réactions" et le site MUST2.

 

Nouvelles cibles pour les réactions avec les faisceaux exotiques.

Dans le cadre des programmes de réactions directes il peut se révéler nécessaire de développer des cibles adaptées aux caractéristiques des faisceaux produits à faible intensité. Des cibles spécifiques, cryogéniques pures en H2 ou en D2, permettent alors d'augmenter les performances des mesures de sections efficaces : par rapport aux cibles employées de façon standard (films CH2 et CD2), on obtient à la fois un accroissement de luminosité et une diminution du fond physique lié aux réactions sur le 12C des cibles usuelles. Une R&D est menée suivant les programmes d’expériences en prenant en compte le type de faisceaux (intensité, énergie) et les réactions visées, qui peuvent impliquer la combinaison à un détecteur entourant la cible. En collaboration avec les départements d’instrumentation de l’Irfu, le DACM, le DEDIP et le DIS, le groupe a déployé un ensemble de programmes pour optimiser les cibles de réactions employées pour les expériences au GANIL (projet CHyMENE), au RIKEN (MINOS, en cours) et pour les futurs programmes sur FAIR à GSI (projet COCOTIER).

 

Chambre à Projection Temporelle de MINOS installée sur l'aire Samurai de la ligne de faisceau de l'installation RIBF (accélérateur RIKEN au Japon). La direction du faisceau est de gauche à droite.
[Photo Irfu, V.Lapoux]

Programme expérimental avec le détecteur MINOS au Japon

Pour étudier la structure en couches au voisinage des nouveaux noyaux doublement magiques les plus éloignés de la stabilité produits à des intensités même inférieures à 1/s, un dispositif développé par l’IRFU dans les années 2010-2014 a été implanté à RIKEN : MINOS (MAgic Numbers Off Stability) spécialement conçu pour mener à bien les expériences avec des faisceaux radioactifs de très faible intensité en optimisant la luminosité. MINOS est une cible liquide cryogénique épaisse d’H2, entourée d’une chambre à projection temporelle TPC cylindrique. 

Les techniques expérimentales employées avec MINOS à RIBF combinent :

  • la spectroscopie des états excités produits par knockout, soit par détection de photons à l'aide du spectromètre gamma DALI2, ou par masse invariante avec le détecteur de neutron NEBULA et un détecteur calorimètre pour l'éjectile lourd ;
  • l'identification de l'éjectile lourd dans un spectromètre (SAMURAI ou ZeroDegree) ;
  • le tracking du vertex de réaction avec la Chambre à Projection Temporelle; la reconstruction de la position du vertex est cruciale pour améliorer la résolution en énergie dans la mesure par spectroscopie gamma ou par masse invariante. L'utilisation d'une cible épaisse (15 cm) permet d'augmenter la luminosité d'un facteur ~10 par rapport aux cibles standard, et donc d'étudier les noyaux les plus exotiques seulement disponibles actuellement avec les faisceaux de basse intensité (moins d’une particule par seconde).
 

Programmes (2014-2017) et projets (2018-2022++)

- Réactions directes et spectroscopie au GANIL avec les faisceaux de SPIRAL et MUST2, réalisations et faits marquants, cf MUST2-réactions. Des campagnes de mesures de la spectroscopie de noyaux déficients en neutrons seront réalisées sur l'aire LISE avec MUST2, il s'agit d'étudier des états non liés et de rechercher notamment des états 0+ par réactions de transfert (p,t).

- Etudes des corrélations di-neutrons dans les noyaux borroméens de 11Li et de 14Be (expérience Samurai-18 avec MINOS).

- Spectroscopie des états 2+ d'un ensemble de noyaux exotiques rares produits par RIBF (RIKEN), campagnes de mesures réalisées avec MINOS, cf réactions-MINOS. Des campagnes de mesures avec les faisceaux de RIBF et MINOS seront menées dans les années 2018-2020 (spectroscopie de noyaux déficients en neutrons autour du 46Fe, de 100Sn; riches en neutrons 39Mg).

Le groupe prévoit des programmes expérimentaux avec les noyaux exotiques produits par FAIR suivant trois axes qui font l'objet de projets instrumentaux pour les cibles (cf la page "cibles FAIR" pour les programmes détaillés) :

- spectroscopie de noyaux exotiques faiblement liés,

- étude des corrélations nucléaires à courte portée,

- étude de la production d'hypernoyaux exotiques.

Contact Minos et cibles FAIR : A. Corsi ; Contact CHymene :  A.Gillibert 

Contact page "Noyaux exotiques" et MUST2 : V. Lapoux

 

Maj : 07/11/2017 (487)

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