Département de Physique Nucléaire

L’installation NFS (Neutrons For Science) a reçu les premiers faisceaux de protons délivrés par l’accélérateur linéaire de la nouvelle installation Spiral2 du Ganil en décembre 2019. En marge de la mise en service progressive de l’accélérateur en 2020, de courtes périodes de faisceau ont été mises à profit pour tester avec succès plusieurs éléments de NFS. Les premières expériences sont prévues auprès de l’installation à l’automne 2021.

Un premier faisceau de protons accélérés à 33 MeV a été envoyé en décembre 2019 dans la station d’irradiation de NFS (figure 1), couplée à un système de transfert pneumatique permettant de transporter les échantillons irradiés jusqu’à une station de mesure. Les sections efficaces de production de plusieurs noyaux obtenus par irradiation d’échantillons de fer et de cuivre ont ainsi été mesurées. Les résultats de ce test sont en accord avec les données précédemment publiées. Le dispositif d’irradiation et de mesure, construit et opéré par des physiciens du laboratoire NPI de Rez (République Tchèque), sera utilisé dans le futur pour des mesures inédites de sections efficaces de réaction par activation.

Les météorites sont bombardées tout au long de leur voyage par le rayonnement cosmique. Cette irradiation est un formidable révélateur de leur histoire, à condition bien sûr de savoir la décrypter. L'interaction du rayonnement cosmique avec les noyaux atomiques constituant la météorite va produire des isotopes dits cosmogéniques, très souvent radioactifs. Des mesures d'activités, une fois la météorite trouvée sur terre, associées à un modèle peuvent permettre de remonter à sa taille pré-atmosphérique, à son temps d'exposition au rayonnement, à son âge terrestre, voire aussi à mieux connaître ce flux de rayonnement cosmique. Ce type de modèle repose sur un ingrédient clé : les sections efficaces élémentaires de production des isotopes. Ces dernières ont pour la première fois été fournies intégralement par le code de réaction nucléaire INCL développé à l’Irfu dans le cadre d’une étude des météorites ferreuses [1], augmentant ainsi la précision des analyses.

Le DPhN en collaboration avec le DEDIP, la DAM Ile de France (DAM/DIF) et JRC-Geel a développé une chambre à fission compacte servant de cible active au centre du calorimètre gamma de la Collaboration n_TOF. Ce dispositif permet d'étudier les rayons gammas spécifiquement issus des réactions de capture radiative (n,γ), souvent noyés dans un flot d'événements de fission également générateurs de gamma.

INCL (intra nuclear cascade from Liège) est un code de simulation reconnu pour sa capacité à modéliser les interactions particule légère – noyau. Il est utilisé dans des domaines très divers, comme la protonthérapie, les sources de neutron, les faisceaux d'ions radioactifs ou encore les ADS (Accelerator Driven System). Afin d’étendre ses performances dans le domaine des réactions à plus haute énergie, en lien avec le rayonnement cosmique ou l'étude des hypernoyaux, une équipe de physiciens menée par l’Irfu a récemment développé une nouvelle version du code permettant d’inclure les particules étranges. Ce travail était au cœur d’une thèse récemment soutenue (2019) et les nouvelles possibilités offertes par ce code ont été publiées début 2020 dans la revue Physical Review C [1].

L'édition 2020 de la conférence sur la physique auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHCP) s’est déroulé du 25 au 30 mai 2020. En raison de la pandémie de COVID-19, la conférence, qui devait se tenir initialement à Paris, a eu lieu entièrement en ligne. La collaboration ALICE y a présenté de nouveaux résultats montrant comment les particules charmées – celles qui contiennent des quarks, composants élémentaires de la matière, dits c – peuvent jouer le rôle de « messagers » du plasma de quarks et gluons, qui aurait existé dans l'Univers primordial et qui peut être recréé lors de collisions d'ions lourds dans le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). En étudiant les particules charmées, les scientifiques peuvent en savoir davantage sur les hadrons, particules dans lesquelles les quarks sont liés par des gluons, ainsi que sur le plasma de quarks et gluons, état de la matière dans lequel les quarks et les gluons ne sont pas confinés à l'intérieur des hadrons. Ces nouveaux résultats sont le fruit d’une analyse menée dans le cadre d’une thèse actuellement en cours au DPhN.

Après plus de quatre ans de travail de recherche et développement, conception et fabrication, le MFT (Muon Forward Tracker), un nouveau détecteur qui va équiper l’expérience ALICE au LHC, voit sa construction finalisée et en cours de commissioning au Cern. Dans le but de limiter autant que possible la quantité de matière traversée par les particules, la fabrication de ce détecteur a nécessité le développement de nombreuses techniques et procédures innovantes, en particulier dans l’intégration de capteurs silicium sur des circuits hybrides flexibles appelés échelles dont l’Irfu a eu la responsabilité au sein du projet. Pour fabriquer ces 500 échelles du MFT, deux années ont été nécessaires et une très longue séquence d’opérations a fait l’objet de nombreuses études sous la responsabilité de l’équipe de l’Antenne Irfu au Cern. La production de ces échelles vient de se terminer avec succès et c’est donc le temps d’en faire un court bilan.

Quelques microsecondes après le Big Bang, l’Univers serait passé par un état où seuls les constituants les plus élémentaires de la matière y figurent : le plasma de quarks et de gluons (QGP). Le QGP est créé lors de collisions d’ions lourds ultra relativistes. En particulier au LHC (CERN), le QGP s’écoule comme un fluide emportant tout sur son passage. Ainsi, toutes les particules, légères, étranges ou charmées mesurées jusqu’à maintenant apparaissent comme emportées par le même fluide, ce qui témoigne de la force des interactions entre constituants du QGP. La collaboration ALICE au LHC, avec une contribution décisive des équipes de l’Irfu, vient de publier dans la prestigieuse revue Physical Review Letters la première mesure du flot elliptique de l’Υ(1S) (particule composée d’un quark beau et de son antiquark). Cette résonance apparaît comme la première particule au LHC ne se déplaçant pas avec le fluide. Ce résultat pionnier ouvre la voie à des études plus approfondies du QGP.

L’installation NFS (Neutrons For Science) a reçu les premiers faisceaux de protons délivrés par l’accélérateur linéaire de la nouvelle installation Spiral2 du Ganil en décembre 2019. En marge de la mise en service progressive de l’accélérateur en 2020, de courtes périodes de faisceau ont été mises à profit pour tester avec succès plusieurs éléments de NFS. Les premières expériences sont prévues auprès de l’installation à l’automne 2021.

Un premier faisceau de protons accélérés à 33 MeV a été envoyé en décembre 2019 dans la station d’irradiation de NFS (figure 1), couplée à un système de transfert pneumatique permettant de transporter les échantillons irradiés jusqu’à une station de mesure. Les sections efficaces de production de plusieurs noyaux obtenus par irradiation d’échantillons de fer et de cuivre ont ainsi été mesurées. Les résultats de ce test sont en accord avec les données précédemment publiées. Le dispositif d’irradiation et de mesure, construit et opéré par des physiciens du laboratoire NPI de Rez (République Tchèque), sera utilisé dans le futur pour des mesures inédites de sections efficaces de réaction par activation.

Des théoriciens du CEA, de l’Irfu à la DRF (Espace de Structure Nucléaire Théorique) et du service de physique nucléaire à la DAM, ont développé une Intelligence Artificielle (IA) permettant la prédiction des propriétés du noyau atomique. Ils ont ainsi simulé les propriétés de plus de 1800 noyaux atomiques à partir d’un algorithme entraîné sur un sous-ensemble de seulement 210 noyaux. De plus pour la toute première fois, ces 210 noyaux sont choisis automatiquement par l’Intelligence Artificielle en utilisant une approche dite d’apprentissage actif. Il s’agit d’une avancée majeure en comparaison des approches précédentes qui se limitaient à la prédiction d’une seule observable (grandeur physique mesurable, comme par exemple la masse) et dont la portée prédictive était très faible. Les résultats obtenus sont d’une précision comparable à celle des calculs issus de l’état de l’art des techniques utilisées en physique nucléaire théorique, et cela en un temps de calcul significativement réduit (un gain allant d’un facteur 10 à un facteur 10³ en fonction du type de résultat voulu). Les résultats ont fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters, l’article figure parmi les suggestions de l’éditeur [1]. 

La spectroscopie d’un isotope de mendélévium, le ²⁵¹Md composé de 101 protons et 150 neutrons révèle une surprise : lorsqu’il est en rotation, il se comporte exactement comme un isotope de lawrencium composé de 103 protons et 152 neutrons. L’expérience réalisée à l’Université de Jyväskylä en Finlande a nécessité les outils les plus perfectionnés pour étudier ces noyaux rares et éphémères : tri et identification des noyaux, détections des rayons gamma et des électrons. Cette similitude tout à fait inattendue est-elle le fruit du hasard ou liée aux propriétés de l’interaction forte ? L’enquête s’est poursuivie avec les théoriciens pour tenter de comprendre cette singularité. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue Physical Review C.

La complexité du noyau atomique reflète les multiples composantes de la « force nucléaire » qui lie entre eux les protons et les neutrons. Isoler et caractériser chacune d’entre elles est un véritable défi, tant théorique qu’expérimental, que tentent de relever les études de physique nucléaire. Les isotopes d’étain (noyaux possédant Z=50 protons et un nombre de neutrons N dépendant de l’isotope) servent de référence pour caractériser la compétition entre deux de ces composantes : un terme d’interaction dit d’appariement marquant la tendance qu’ont les protons et neutrons à s’associer par paires et un terme d’interaction dit quadrupolaire caractérisant la tendance naturelle du noyau à se déformer. Aussi distincts soient-ils, ces deux termes d’interaction nucléaire concourent pourtant au même objectif qui est d’organiser de manière optimale les nucléons composant le noyau atomique de manière à minimiser son énergie. Les analyses menées jusqu’ici mettent en évidence une transition entre ces deux composantes à l’approche de l’étain-100, contraignant la modélisation de ce noyau dit « doublement magique ». Avec un nombre identique de protons et de neutrons (Z=N=50), le ¹⁰⁰Sn joue un rôle essentiel dans la validation des modèles théoriques décrivant les propriétés des noyaux exotiques.

La simple question "Où se termine le tableau périodique des éléments?" suscite depuis longtemps l'intérêt des scientifiques. Dans ce contexte, la compréhension de la structure des noyaux les plus lourds, et à travers elle leur stabilité, est d'une importance majeure. Il y a dix ans, il n'existait pas de voie évidente  pour s'attaquer à cette quête scientifique. Et pourtant, ces dernières années, une collaboration composée de physiciens provenant de l'Irfu/DPhN, de Jyvaskyla (Finlande), du GSI (Allemagne) et d'Argonne (États-Unis) a appliqué une technique nouvellement développée qui s'appuie sur des accélérateurs à haute performance et des détecteurs de pointe pour étudier les états isométriques (longue durée de vie) des noyaux lourds. Cette technique a déclenché une renaissance de la science des éléments ioniques lourds. De nouveaux détecteurs à plan focal équipés d'électronique numérique ont été pour la première fois adaptés aux états de courte durée dans les noyaux lourds, permettant la détection d'événements très proches et de demi-vie très courte (quelques µs). Cela ouvre de nouvelles perspectives puisqu'à ce jour, l'élément le plus lourd trouvé est l'Oganesson avec une demi-vie de 0,58 ms. Les résultats ont été publiés dans  Physical Review C [1].