Département de Physique Nucléaire

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]. 

En octobre, le personnel du GANIL a franchi deux étapes très importantes dans le démarrage du nouvel accélérateur linéaire de SPIRAL2 et la mise en route de la salle NFS, la première qui sera ouverte à la science l’an prochain. Petit tour d’horizon avec Navin Alahari directeur du GANIL. 

Il y avait de quoi retenir son souffle. Début octobre, les équipes du LINAC ont réussi à produire et accélérer les premières impulsions de faisceau en configuration nominale, avec une énergie finale de 33 MeV et une intensité instantanée de presque 5mA. En d’autres termes, des paquets de protons ont été densifiés à l’extrême puis injectés et accélérés à la vitesse maximale dans l’accélérateur linéaire. « Cette étape était probablement la plus grosse inconnue de la mise en service, indique Navin Alahari, directeur du GANIL. Nous ne savions pas exactement comment ces paquets très denses de protons, qui ont une forte tendance à se repousser entre eux, allaient se comporter dans l’accélérateur ». Une mauvaise maîtrise du phénomène aurait effectivement des conséquences graves. Elle conduirait immanquablement à des pertes de faisceaux incontrôlées et à l’irradiation intense des éléments de la machine, impactant leur durée de vie.

Environ un an après l’accélération réussie des premiers protons à travers le linac, tout le monde était donc présent dans la salle de contrôle de SPIRAL2 pour assister à ce test primordial. Conduit en n’accélérant qu’un paquet sur 200, c’est-à-dire avec un faisceau d’une puissance moyenne de l’ordre de 1 kW, le test a démontré une très bonne maîtrise des pertes le long de la machine. Indiquant, à la grande satisfaction de tous, une bonne compréhension des phénomènes physiques en jeu durant les processus de formation, d’accélération et de guidage du faisceau. Cette réussite sonne donc comme la confirmation des très bonnes performances du LINAC et laisse espérer des lendemains qui chantent pour les prochaines phases de la mise en service qui consisteront à poursuivre la montée en puissance et à accélérer d’autres types de faisceaux. « Nous allons en particulier pouvoir préparer la prochaine étape importante du LINAC avec la production de deutons, explique Navin Alahari. Nous la testerons l’an prochain, mais maintenant que la machine a montré son excellent fonctionnement avec les protons, ce qui correspond a priori aux conditions les plus difficiles à maîtriser, nous espérons que cela ne sera qu’une formalité ».

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 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].

En octobre, le personnel du GANIL a franchi deux étapes très importantes dans le démarrage du nouvel accélérateur linéaire de SPIRAL2 et la mise en route de la salle NFS, la première qui sera ouverte à la science l’an prochain. Petit tour d’horizon avec Navin Alahari directeur du GANIL. 

Il y avait de quoi retenir son souffle. Début octobre, les équipes du LINAC ont réussi à produire et accélérer les premières impulsions de faisceau en configuration nominale, avec une énergie finale de 33 MeV et une intensité instantanée de presque 5mA. En d’autres termes, des paquets de protons ont été densifiés à l’extrême puis injectés et accélérés à la vitesse maximale dans l’accélérateur linéaire. « Cette étape était probablement la plus grosse inconnue de la mise en service, indique Navin Alahari, directeur du GANIL. Nous ne savions pas exactement comment ces paquets très denses de protons, qui ont une forte tendance à se repousser entre eux, allaient se comporter dans l’accélérateur ». Une mauvaise maîtrise du phénomène aurait effectivement des conséquences graves. Elle conduirait immanquablement à des pertes de faisceaux incontrôlées et à l’irradiation intense des éléments de la machine, impactant leur durée de vie.

Environ un an après l’accélération réussie des premiers protons à travers le linac, tout le monde était donc présent dans la salle de contrôle de SPIRAL2 pour assister à ce test primordial. Conduit en n’accélérant qu’un paquet sur 200, c’est-à-dire avec un faisceau d’une puissance moyenne de l’ordre de 1 kW, le test a démontré une très bonne maîtrise des pertes le long de la machine. Indiquant, à la grande satisfaction de tous, une bonne compréhension des phénomènes physiques en jeu durant les processus de formation, d’accélération et de guidage du faisceau. Cette réussite sonne donc comme la confirmation des très bonnes performances du LINAC et laisse espérer des lendemains qui chantent pour les prochaines phases de la mise en service qui consisteront à poursuivre la montée en puissance et à accélérer d’autres types de faisceaux. « Nous allons en particulier pouvoir préparer la prochaine étape importante du LINAC avec la production de deutons, explique Navin Alahari. Nous la testerons l’an prochain, mais maintenant que la machine a montré son excellent fonctionnement avec les protons, ce qui correspond a priori aux conditions les plus difficiles à maîtriser, nous espérons que cela ne sera qu’une formalité ».

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.