Département de Physique Nucléaire

Soutenus par le programme transverse de compétence « simulation numérique » du CEA, l’Irfu, le Laboratoire National Henri Becquerel de la DRT et le Service d'Étude des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées de la DES se sont associés pour revoir en profondeur les calculs de spectres d'antineutrinos émis par un réacteur nucléaire. Une refonte complète de la méthode par sommation pose ainsi de nouvelles et solides bases pour ces calculs, et a fait la une du journal Physical Review C [1] le 27 novembre 2023. Celle-ci intègre de nombreuses améliorations relevant de la modélisation de la désintégration bêta et de l’évaluation des données nucléaires. Elle quantifie d’autre part l’ensemble des effets systématiques susceptibles d’influer sur les calculs afin de proposer pour la première fois un modèle complet d’incertitude. Une avancée majeure qui fait désormais du modèle par sommation, longtemps critiqué pour son caractère approximatif et incomplet, un outil robuste pour la prédiction des spectres d’antineutrinos de réacteur ainsi que pour l’interprétation des mesures expérimentales en cours et à venir. Ce travail stimulera probablement des recherches ciblées pour vérifier et améliorer les données nucléaires utilisées en entrée de ce nouveau modèle, avec un impact potentiellement très large, de la physique des neutrinos à de nombreux aspects de la science et de la technologie des réacteurs nucléaires. Il apporte également un éclairage intéressant sur l’origine des anomalies des antineutrinos de réacteur [2,3].

Pour la première fois, une expérience a fourni des observations clés sur la spectroscopie des noyaux non liés d’oxygène (nombre de protons Z = 8) riches en neutrons, l’oxygène 28 (N = 20) et son isotope voisin à N = 19, l'oxygène 27.  Ils ont été produits dans des réactions à haute énergie et observés par la détection directe de leurs produits de décroissance, ²⁴O et trois ou quatre neutrons. L’étude montre qu’il est possible de contraindre les paramètres des interactions ab initio à partir des différences en énergie des états observés par rapport au dernier isotope lié – l’²⁴O (N = 16). Ces résultats inédits ont été publiés dans la revue Nature [Nat23]. 

Du fait de la complexité de l’étude de noyaux non liés, un dispositif exceptionnel a été mis en œuvre auprès de l’installation de faisceaux d'ions radioactifs la plus performante au monde : RIBF au Japon. Les données ont été obtenues par une collaboration internationale (Samurai21) d'une centaine de physiciens (36 laboratoires) notamment une équipe* de physiciens de l'Irfu qui a mis en opération un détecteur-clé pour les mesures, Minos. L'expérience réalisée sur l'aire Samurai de l'installation RIBF (Radioactive Ion Beam Factory) de RIKEN au Japon était pilotée par les groupes de physiciens de Titech (Tokyo Institute of Technology) et les équipes de RIKEN-RIBF. 

Une équipe de physiciens de l’Irfu, en partenariat avec le centre de physique nucléaire de Varsovie et l’université Williams & Mary aux États-Unis a mis au point une technique pour combiner efficacement données de simulations et expérimentales dans le but d’extraire la structure multidimensionnelle du nucléon en termes de quarks et gluons. Fondée sur la repondération bayésienne, cette technique permet de réduire fortement le coût de calcul par rapport aux approches standards. Les premières évaluations estiment que combiner données expérimentales et de simulation permettrait de réduire de près de 50 % [1] les incertitudes et permettent d’espérer une cartographie précise des quarks et des gluons dans le proton pour la seconde moitié de la décennie. C’est précisément l’objectif du projet CompToN financé par l’ANR qui a débuté à l’Irfu le 1 avril 2024.