Service de Physique Nucléaire

Présentation: 

• SPIRAL2 [SPIRAL: Système de Production d'Ions Radioactifs Accélérés en Ligne] est le nom du dispositif qui produira de nouveaux faisceaux d’ions stables ou radioactifs au GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds). 

• Le GANIL(en 2007) produit  et accélère des faisceaux stables allant du Carbone 12 à l’Uranium; il a deux techniques pour produire des faisceaux radioactifs, soit par fragmentation de faisceaux stables sur des cibles épaisses, soit par la méthode ISOL (Isotope Separation On-Line/Méthode de production, de tri et de sélection des noyaux) utilisée dans le dispositif  SPIRAL1. Le projet SPIRAL2 a pour objet de développer le potentiel de production des faisceaux au GANIL : il délivrera avec des intensités accrues les faisceaux actuels et offrira un domaine beaucoup plus vaste d'ions radioactifs. Opérationnel en 2012, il ouvrira un nouvel horizon pour les recherches sur les propriétés nucléaires. Il  offrira ainsi à la communauté internationale (plus de 700 physiciens concernés) des possibilités nouvelles d'exploration de la structure nucléaire: observation des noyaux éloignés de la vallée de stabilité, riches ou déficients en neutrons, mesures de leurs formes, détermination de nouveaux effets de couches nucléaires, formation de nouveaux noyaux très lourds, études des noyaux impliqués dans les processus astrophysiques.
• La réalisation de la machine SPIRAL2 permet de relever un ensemble de défis technologiques, elle marque ainsi une étape intermédiaire importante entre les installations ISOL existantes (SPIRAL1, ISOLDE au CERN,...) et les futurs projets comme EURISOL (EURopean Isotope Separation On-Line) en Europe ou RIA (Rare Isotope Accelerator) aux États-Unis.
  SPIRAL2 a été conçu en collaboration par les équipes du GANIL, du CEA/DAPNIA et des laboratoires du CNRS/IN2P3.
   

Faisceaux

SPIRAL2 produira des faisceaux stables très intenses, des faisceaux radioactifs de tous types et un flux élevé de neutrons.

De nouveaux faisceaux intenses de noyaux radioactifs seront produits dans les régions de la table des noyaux situées au-delà de la chaîne isotopique du Krypton.
La post-accélération des faisceaux radioactifs sera assurée par le cyclotron CIME existant, qui est bien adapté pour la séparation et l’accélération des ions dans la gamme d’énergie entre 3 et 10 MeV/nucléon pour des masses A~100-150. Les faisceaux SPIRAL2, à la fois avant et après l’accélération, pourront être envoyés dans les aires expérimentales actuelles du GANIL.

 Voir l'onglet "Moyens expérimentaux" pour les régions de la table des noyaux accessibles avec :
- les gammes de faisceaux de l’installation actuelle GANIL/SPIRAL
- les fragments de fission de SPIRAL2
- la combinaison des faisceaux du LINAG et des faisceaux radioactifs de SPIRAL2.

 Objectifs 

 Les noyaux radioactifs éloignés de la vallée de stabilité sont seulement produits en laboratoire ou dans les milieux stellaires. Ils sont dits exotiques car ils présentent des propriétés inhabituelles de structure qui mettent en défaut les modèles nucléaires usuels, élaborés à partir des études de noyaux stables. Ainsi, le modèle en couches, avec sa séquence de nombres magiques bien établie pour les noyaux sphériques proches de la stabilité, est remis en cause pour les noyaux exotiques, avec la disparition de la sphéricité des noyaux supposés magiques et l'apparition de nouvelles couches magiques.
Les propriétés des noyaux exotiques sont explorées auprès des accélérateurs de faisceaux radioactifs. L'objectif des études est de vérifier la validité des modèles existants et d’améliorer le pouvoir descriptif et prédictif des théories nucléaires dans les conditions les plus extrêmes possibles, aux limites de cohésion (par rapport à l'interaction forte) de l'édifice nucléaire. On doit donc produire et étudier des noyaux d' isospin (différence entre le nombre de neutrons et le nombre de protons) élevé par rapport aux isotopes stables, des noyaux possédant un très grand nombre de nucléons (noyaux super-lourds), ou encore des noyaux très déformés.
 
 L'objectif scientifique de l’installation SPIRAL2 est de fournir un nouveau champ d’études expérimentales en physique nucléaire en complétant la gamme des faisceaux du GANIL et de SPIRAL1 par la production et l’accélération d’ions radioactifs plus lourds (jusqu'à l’Uranium) et riches en neutrons. L’exploitation des faisceaux de SPIRAL2 permettra d’étendre les connaissances sur les phénomènes nucléaires dans le domaine des noyaux radioactifs « exotiques ».

En outre, en raison du flux élevé de neutrons créés, SPIRAL2 peut être utilisé comme outil d’irradiation de matériaux, comme ceux envisagés pour les futures machines de fusion (ITER, DEMO, ...).
Les recherches interdisciplinaires en radiobiologie, et en physique atomique, physique de l'état solide menées notamment par les laboratoires existants (CYCERON et CIRIL) bénéficieront des flux très élevés de faisceaux d'ions lourds stables et radioactifs. 

Localisation

La machine SPIRAL2 va s'installer dans le périmètre du GANIL situé à Caen en Normandie, et compléter ainsi les dispositifs existants de production de faisceaux d’ions lourds, stables et radioactifs. Ces dispositifs, avec les systèmes de détection implantés au GANIL, sont des outils de recherche fondamentale sur le noyau.

Mise en service

La mise en service de l’accélérateur SPIRAL2 au GANIL est prévue pour la fin 2011, les premières expériences en ions stables auront lieu en 2012 et la production d’ions radioactifs débutera en 2013.

Contexte

Dans le monde, quelques accélérateurs  produisent une large gamme de faisceaux radioactifs avec des intensités permettant des études variées de structure et de réactions nucléaires : en Europe, ce sont les installations du GANIL (faisceaux de l’ordre de quelques 10-100 MeV/nucléon) et de GSI (quelques 100 MeV/nucléon), au Japon, RIKEN (10-150 MeV/nucléon), aux Etats-Unis, MSU, et pour des gammes d’énergie et de faisceaux limitées, ISAAC et Oak Ridge.

La France occupe une place de premier plan au niveau mondial dans le domaine de la physique du noyau avec l’utilisation des faisceaux de noyaux radioactifs exotiques produits au GANIL, GIE fondé et géré conjointement par le CEA et le CNRS. Afin de rester en pointe dans le domaine, l’installation de première génération SPIRAL particulièrement adaptée à la production et à l’accélération de noyaux légers et moyennement lourds à des énergies de 2 à 25 MeV/nucléon a été mise au point au cours des dernières années.

D’autre part, une réflexion sur ce domaine d’étude a été conduite au niveau européen (avec les grands laboratoires d’Allemagne, de Belgique, de Finlande, de France, de Grande-Bretagne, d’Italie, de Suède et le CERN). Ainsi le comité NuPECC (Nuclear Physics European Collaboration Committee), dans son rapport d’avril 2000,  recommandait l’étude et le développement d’installations de seconde génération, pour la production de faisceaux d’isotopes radioactifs rares. Il préconisait la mise en service de ces installations à partir de 2010-2012.

Un programme de Recherche & Développement a été entrepris au niveau européen et financé par l’Union Européenne (5ème et 6ème PCRD). Il s’agit du programme EURopean Isotope Separation On-Line (EURISOL). Dans cette optique et en se fondant sur le rapport d’étude «LINAG Phase 1», le projet SPIRAL2 s’est révélé être l’étape intermédiaire indispensable entre SPIRAL (mis en service en septembre 2001) et EURISOL. Il devrait placer le GANIL et la France dans une position de force indéniable quant au choix futur du site d’implantation d’EURISOL.

Cette conjonction de faits a conduit les deux organismes, la Direction des Sciences de la Matière (DSM) du CEA et l’Institut National de Physique Nucléaire et des Particules (IN₂P₃) du CNRS à lancer une étude d’avant-projet détaillé (APD) de SPIRAL2 le 1er Novembre 2002, pour une durée de deux ans. La Région Basse-Normandie a placé la recherche comme l’une de ses grandes priorités et a apporté son soutien aux projets de développement du GANIL dans une perspective européenne. Cette région a accepté d’assurer le cofinancement de la phase APD avec le CEA et le CNRS.

Cette phase s'étant achevée en 2005, la DSM, l'IN₂P₃ et la région Basse-Normandie, avec l'assentiment du ministère (23 mai 2005) ont décidé de lancer la réalisation du projet SPIRAL2. Ainsi l'Etat, la région Basse-Normandie, les communautés alentours ont signé une convention le 04 Septembre 2006 avec le CEA et le CNRS.

Concurrence internationale lors du démarrage de la machine en 2012 - Spécificités

Au niveau mondial, les productions concurrentes des ions radioactifs se trouveront à RIKEN avec le dispositif RIBF, aux Etats-Unis avec le projet RIA, et avec les futurs faisceaux  d’Oak Ridge ; et avec GSI/FAIR (2013). Mais avec SPIRAL2, on disposera d'une gamme très variée de faisceaux radioactifs, avec une combinaison d’intensités et d’énergies (<10 MeV/nucléon) uniques au monde ; les réactions de ces faisceaux permettront de produire et d’étudier de nouveaux noyaux exotiques.
A plus long terme le projet européen EURISOL complètera la gamme de faisceaux accessibles avec SPIRAL2 ; des énergies plus élevées (50 MeV/nucléon) devraient alors être disponibles.

Contributions du DAPNIA 

Responsabilités scientifiques:

Le  support et les contributions des physiciens du SPhN au projet SPIRAL2 sont intensifs, tant du point de vue de la réflexion scientifique sur les atouts des futurs faisceaux que sur la préparation de la future détection. Les physiciens du SPhN ont été fortement impliqués dans les groupes de travail qui ont contribué à la rédaction du livre blanc "PHYSICS CASE" de SPIRAL2. Ce document présente les cas physiques et les réactions à mener avec les faisceaux de SPIRAL2.

Pour l'étude de la structure nucléaire des faisceaux radioactifs, les équipes du DAPNIA poursuivront sur SPIRAL2 trois axes de recherche avec les explorations de :
i) l'évolution des excitations et de la structure des noyaux très riches en neutrons, vers les drip-lines,
ii) les déformations extrêmes des noyaux, 
iii) les conditions de formation de noyaux très lourds aux confins de la liaison nucléaire.

Le DAPNIA participe à la définition de plusieurs expériences destinées à être réalisées soit à l'extrémité de l'accélérateur primaire générateur d'ions stables (projet du spectromètre S³; programme avec les faisceaux de neutrons : NFS-Neutrons For  Science) soit dans une des salles expérimentales existantes du GANIL, lorsque la production des nouveaux ions radioactifs sera effective (des expériences sont prévues avec le détecteur de photons AGATA, ou avec GASPARD, le projet de détecteur de particules légères chargées et de photons).

Dans la liste de présentations des futures expériences (Lettre d’intention : LOI)  données devant le SAC, sur 19 LOI (+ 6 reliées au programme avec le détecteur AGATA),  12 impliquent fortement les groupes du SPhN, et parmi ces LOIs,  5 ont un co-porte-parole SPhN. Une LOI est consacrée au programme NFS qui implique aussi le SPhN.
Ces LOI nécessiteront la réalisation des nouveaux équipements et donc la constitution de collaborations. Le projet AGATA est déjà lancé mais S³ et GASPARD sont en discussion (conception, collaboration à organiser, R&D dans les différents laboratoires européens).
Les équipes du DAPNIA utiliseront leur expertise acquise avec les faisceaux de SPIRAL (expériences avec les détections MUST2, EXOGAM, VAMOS que le DAPNIA a contribué à développer) pour concevoir et développer les nouveaux détecteurs qui seront employés auprès de SPIRAL2. 

Responsabilités techniques :

Le DAPNIA apporte une contribution importante dans l'étude et la réalisation de l'accélérateur.

Il est responsable de :

• L'assemblage de l'injecteur et de l'étude, la réalisation et les tests de certains de ses éléments (Source de deutons, RFQ, chambres à vide,...)
• L'étude, la réalisation et les tests des cryomodules A du LINAG
• L'étude, la réalisation du pilotage de la RF (Low Level RF)

Le Dapnia apporte aussi une expertise importante dans le domaine de la dynamique des faisceaux et devrait pouvoir apporter une expertise dans le domaine des études des déchets et de la radioprotection du projet global.