Le service de physique nucléaire (SPhN) de l'Irfu conduit des recherches fondamentales, principalement expérimentales mais aussi théoriques, sur les nucléons et les noyaux, briques élémentaires de la matière dont la cohésion est assurée par l’interaction forte. Dans des conditions extrêmes de température et d'énergie, ces briques peuvent perdre leur identité pour donner naissance à un plasma de quarks et de gluons, que l'on cherche à mettre en évidence. Le SPhN applique également ses connaissances et son expertise à des études de base sur des sujets de société liés à la transmutation des déchets nucléaires, au déclassement d’installations et à l’étude de nouvelles filières pour l’électronucléaire. Au sein de l'Irfu, le SPhN contribue à l’effort national de recherche fondamentale et, par l’ensemble de ses actions, il est au cœur des missions du CEA.

Objectifs
L’interaction forte se manifeste à deux échelles successives. La première est celle des assemblages de quarks et de gluons, qu’ils soient déconfinés dans un plasma ou liés dans le nucléon et dans d'autres hadrons. La seconde concerne les assemblages de nucléons qui constituent les noyaux des différents atomes. L’objectif du SPhN est l’approfondissement de nos connaissances sur ces systèmes, ainsi que la découverte d'états extrêmes de la matière nucléaire (noyaux exotiques, superlourds, plasma de quarks et gluons, mésons hybrides, etc...). Ces activités se rassemblent autour de quatre axes de recherche :
- Plasma de quarks et de gluons 

- Structure du nucléon
- Structure du noyau
- Interfaces entre recherche fondamentale et applications

Moyens
Le SPhN rassemble aujourd’hui 45 chercheurs, une douzaine de doctorants et une dizaine de post-doctorants, auxquels se joignent 4 techniciens et personnels administratifs.

Les développements instrumentaux requis pour les expériences menées par les équipes du SPhN sont réalisés en étroite collaboration avec les services techniques de l'Irfu.

Les expériences sont réalisées au sein de collaborations nationales ou internationales, en liaison pour la plupart avec nos partenaires de l’IN2P3, ou dans certains cas avec d'autres directions du CEA. Les principaux laboratoires où les physiciens du SPhN conduisent leurs expériences sont : en France, le Ganil (Caen), l’ILL (Grenoble); en Europe, le GSI (Allemagne), Geel et Double Chooz (Belgique), Jyväskylä (Finlande) ainsi que le Cern (Genève); aux États-Unis, le Jefferson Lab (Virginie), le BNL (New-York) et le MSU (Michigan);  au Japon, le RIKEN. Les analyses des données, ainsi que les activités théoriques, sont menées à Saclay grâce aux moyens informatiques du SPhN et de l'Irfu, ainsi que ceux de gros centres de calculs et de la grille.

Perspectives

L’équilibre entre les différents axes de recherche qui se nourrissent et se complètent les uns les autres est un facteur de dynamisme que le service s’attache à préserver.

À court terme, l’effort le plus important dans la recherche d'une transition de phase de la matière nucléaire vers un plasma de quarks et de gluons portera sur l’expérience Alice en vue de préparer la phase de prise de données avec les premiers faisceaux du Cern/LHC. Dans le même temps, les physiciens analysent les données de l'expérience Phenix au BNL/RHIC.

Des expériences au Cern et au Jefferson Lab s'attachent à comprendre comment les quarks et les gluons s'agencent pour former les hadrons, et le nucléon en particulier. La mesure des distributions de partons généralisées dans le nucléon est un nouveau champ d'études qui, après une première génération d'expériences dédiées au Jefferson Lab, devrait conduire à de nouveaux développements et à de nouvelles orientations, aussi bien au Jefferson Lab (expériences CLAS, CLAS12 et Hall A) qu'au Cern (expérience COMPASS). D'autres champs de recherche en physique hadronique sont ou seront couverts par ces expériences. En parallèle, le service participe à l'effort des calculs théoriques de QCD (chromodynamique quantique) sur réseau.

Les perspectives concernant la structure du noyau sont riches et très ouvertes puisque des projets ambitieux, auxquels le service s’associe à différents niveaux, sont prévus en Europe, à moyen terme, Spiral2 au Ganil et Fair en Allemagne, puis à long terme, Eurisol, pour étendre la palette et l’intensité des faisceaux radioactifs disponibles. En attendant ces ambitieux projets, les physiciens utilisent tous les accélérateurs d'ions lourds disponibles (Ganil, GSI, Cern/ISOLDE, Jyväskylä, Legnaro, RIKEN, MSU) pour chaque besoin spécifique. En parallèle, le service est impliqué dans des développements théoriques à long terme pour une compréhension plus complète et fondamentale de tous les noyaux, y compris les plus exotiques.

La physique pour le nucléaire est elle aussi riche de nouveaux projets : l'expérience nTOF au Cern attaque une deuxième phase d'exploitation, avec entre autres des données utiles à la description de la nucléosynthèse primordiale; le programme Spallation au GSI s'enrichit d'expériences utiles à l'hadronthérapie et au spatial; une nouvelle génération d'expériences sur le processus de fission des noyaux est à l'étude, en particulier auprès de NFS à Spiral2. Ces études trouvent des applications dans la définition de nouveaux types de réacteurs nucléaires, dans tous les systèmes utilisant des cibles de spallation (production de faisceaux de neutrons, de noyaux radioactifs, réacteur entretenu par accélérateur ou ADS, etc), ainsi que, entre autres, dans la caractérisation non destructive des déchets nucléaires et dans la non-prolifération.

Chef de service : Michel Garçon