Théorie en structure nucléaire

Zones d'application en 2017 des approches ab initio sur la table des noyaux. approches exactes pour les noyaux légers (Monte Carlo, ..) [orange; depuis les années1980]; noyaux à couches fermés avec SCGF, CC, IMSRG vers les noyaux à couches ouvertes-shell nuclei avec GGF, BCC, MR- IMSRG [rose, depuis 2010-2013]; modèle en couches ab initio avec interaction effective via CC IMSRG [vert ; depuis 2014].
SCGF: Self consistent Green Function; IM SRG, In medium similarity renormalization group; MR SRG, multireference SRG.

L'activité théorique du DPhN dans le domaine de la physique nucléaire de basse énergie concerne le développement de méthodes de résolution des systèmes fermioniques en interaction forte et leur application à la description du noyau atomique. L'accent est mis sur les approches dites "ab initio" (i.e. "à partir de principes premiers"), qui visent de décrire la dynamique complète des N neutrons et Z protons engendrée par leurs interaction élémentaires. Dans ce contexte, les deux principales difficultés résident dans la modélisation des interactions nucléaires elles-mêmes et dans la description de la dynamique qu'elles engendrent, ce qui se traduit par la nécessité de résoudre l'équation statique de Schrödinger pour une fonction d'onde décrivant A=N+Z nucléons. Les codes numériques modernes et les ressources informatiques actuelles donnent accès à une solution (presque) exacte du problème, mais uniquement pour les noyaux très légers (i.e. A<12). L'application à des noyaux contenant plusieurs dizaines de nucléons nécessite l'introduction de techniques d'approximation dont le coût augmente de manière beaucoup moins rapide avec le nombre de nucléons que les méthodes (essentiellement) exactes.

Le développement de telles techniques est au cœur de la recherche théorique menée au DPhN. En interaction forte avec ces activités, des groupes de travail sont organisés chaque année dans le cadre du laboratoire virtuel, l'Espace de Structure et de réactions Nucléaires Théorique, ESNT.

 

Plus précisément, le groupe théorique du DPhN a généralisé plusieurs techniques ab initio standard aux noyaux à couche(s) ouverte(s) ouvertes, c'est-à-dire des noyaux qui ne peuvent être, même qualitativement, représentés par un ensemble de couches nucléoniques complètement remplies. La spécificité de ces noyaux est associée à l'apparition de la superfluidité et de la déformation nucléaires, qui compliquent la description théorique en rendant les méthodes standard inapplicables. L'ingrédient clé des méthodes généralisées est le concept de brisure et de restauration de symétrie, qui permet de saisir dans un même formalisme les corrélations associées à la superfluidité et à la déformation (corrélations statiques) et celles déjà présentes dans les noyaux à couches fermées (corrélations dynamiques). Les approches résultantes sont dénommées méthode des fonctions de Gorkov-Green auto-cohérentes [1], méthode des clusters couplés de Bogolyubov [2] (avec restauration de symétrie [3]) ou encore la théorie des perturbations à N corps de Bogolyubov [4] (avec restauration de symétrie [3]). Les codes numériques associés sont exploités sur des machines de calcul haute performance, par exemple au Très Grand Centre de Calcul (TGCC) du CEA. Les méthodes sont systématiquement appliquées aux cas d'intérêt expérimental [2] dans la région des noyaux de masse moyenne (de la masse 10 à la masse 100), en particulier ceux étudiés par les groupes expérimentaux au DPhN. Au moyen de leur confrontation aux (nouvelles) données expérimentales, ces méthodes à N corps innovantes permettent tout à la fois de sonder de nouvelles facettes du noyau atomique et de tester les modélisations modernes des interactions nucléaires dans des régions de la charte des noyaux auparavant inaccessibles à de telles prédictions théoriques [5-9].

 

Une autre activité du groupe théorique se rapporte à une approche plus effective de la structure nucléaire, dénommée méthode de la fonctionnelle de densité d'énergie. La stratégie est ici d'abandonner le lien direct avec les interactions élémentaires sous-jacentes, c'est-à-dire utiliser une interaction nucléon-nucléon effective "dans le milieu" dans le but de faire face à un problème plus facilement soluble. Il en résulte une méthode dont le coût numérique augmente encore plus doucement avec le nombre de nucléons et qui peut ainsi s'appliquer à l'ensemble de la charte des noyaux, au prix de l'inclusion de certains ingrédients phénoménologiques. L'activité du DPhN s'appuie sur la longue tradition portant sur ces techniques au CEA de Saclay et s'attelle en même temps à leur modernisation, notamment en améliorant leur caractère systématique et leur pouvoir prédictif [10].

 

Références:

[1] V. Somà, T. Duguet, C. Barbieri, "Ab-initio self-consistent Gorkov-Green's function calculations of semi-magic nuclei. I. Formalism at second order with a two-nucleon interaction", Phys. Rev. C 84 (2011) 064317.

[2] A. Signoracci, T. Duguet, G. Hagen, G. R. Jansen, "Ab-initio Bogoliubov coupled cluster theory for open-shell nuclei", Phys. Rev. C 91 (2015) 064320.

[3] T. Duguet, "Symmetry broken and restored coupled-cluster theory. I. Rotational symmetry and angular momentum", J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 42 (2015) 025107; T. Duguet, A. Signoracci, "Symmetry broken and restored coupled-cluster theory. II. Global gauge symmetry and particle number", J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 44 (2016) 015103.

[4] P. Arthuis, A. Tichai, J.-P. Ebran, R. Roth, T. Duguet, "Bogoliubov many-body perturbation theory for open-shell nuclei", to be published.

[5] V. Somà, A. Cipollone, C. Barbieri, P. Navràtil, T. Duguet, "Leading chiral three-nucleon forces along isotope chains in the calcium region", Phys. Rev. C 89 (2014) 061301.

[6] T. Duguet, H. Hergert, J.D. Holt, V. Somà, “Non observable nature of the nuclear shell structure: Meaning, illustrations, and consequences”, Phys.Rev. C 92 (2015) 034313.

[7] M.Rosenbusch, et al. (V.Somà), “Probing the N=32 Shell Closure below the Magic Proton Number Z=20: Mass Measurements of the Exotic Isotopes 52, 53K”, Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 202501.

[8] V. Lapoux, V. Somà, C. Barbieri, H. Hergert, J.D. Holt, S.R. Stroberg, "Radii and binding energies in oxygen isotopes: a puzzle for nuclear forces", Phys. Rev. Lett. 117 (2016) 052501.

[9] T. Duguet, V. Somà, S. Lecluse, C. Barbieri, P. Navràtil, "Ab initio calculation of the potential bubble nucleus 34Si", Phys. Rev. C 95 (2017) 034319.

[10] T. Duguet, M. Bender, J.-P. Ebran, T. Lesinski, V. Somà, “Ab initio-driven nuclear energy density functional method - A proposal for safe/correlated/improvable parametrizations of the off-diagonal EDF kernels”, Eur. Phys. J. A 51 (2015) 162.

 

Contacts : Th. Duguet, V. Somà

 

Maj : 07/11/2017 (4070)

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