Service de Physique Nucléaire

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 premier 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
- Réactions nucléaires et applications

auxquels il faut ajouter une activité de physique et d'ingénierie en sûreté, sécurité et radioprotection (Lenac).

Moyens
Le SPhN rassemble aujourd’hui 49 physiciens, 3 ingénieurs, 3 techniciens et 3 personnels administratifs, auxquels se joignent  une douzaine de doctorants et une douzaine de post-doctorants. Il accueille également des stagiaires étudiants et des visiteurs étrangers.

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 et les applications, 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 d'exploiter les prises de données avec les premiers faisceaux d'ions lourds du Cern/LHC. 

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.

L'étude des réactions nucléaires et de leurs applications est elle aussi riche de nouveaux projets : l'expérience n_TOF 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'une expérience utile à l'hadronthérapie et au spatial, tandis qu'un effort particulier est engagé pour la modélisation de ces réactions; une nouvelle génération d'expériences sur le processus de fission des noyaux est à l'étude, en particulier auprès de NFS à Spiral2. Les neutrinos issus de réacteurs nucléaires sont étudiés, en collaboration avec le service de physique des particules de l'Irfu, pour la physique fondamentale (Double Chooz) aussi bien que pour des applications (Nucifer). 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.

Les activités du Laboratoire d'Expertise en Assainissement et Conception contribuent, dans une large mesure, à l'expertise de l'Irfu au service des enjeux sociétaux. Le Lenac bénéficie d'un savoir-faire, historiquement fondé sur les études de démantèlement d'accélérateurs ou de réacteurs de recherche et l'aide à la conception des installations nucléaires, ainsi que sur la gestion des déchets radioactifs. Les prestations du Lenac apportent une assistance à maîtrise d'ouvrage aux projets lors des phases préparatoires, au démantèlement des installations (entre autres le réacteur G1 à Cadarache), ou à la conception de nouvelles installations (accélérateurs comme IFMIF et Spiral2, salles expérimentales comme NFS et S3 à Spiral2, lasers de puissance, hôpitaux ...), au profit de l'Irfu et de la DSM, mais également des autres directions du CEA (DEN, DAM ...), ainsi que pour le compte de partenaires extérieurs (CNRS, Institut Curie, ENSTA ...).

Chef de service : Michel Garçon