Département de Physique Nucléaire

Les expériences de physique nucléaire programmées

Cette année, le spectromètre Agata (Advanced GAmma Tracking Array) est utilisé au cours de cinq expériences programmées d’avril à juillet au Ganil. Equipé de 35 capsules de détection, il est couplé pour la première fois aux détecteurs de neutrons Neda (Neutron Detector Array) et au capteur de particules chargées Diamant. Cet ensemble de détection est unique pour identifier les noyaux très exotiques produits lors de la fusion de deux noyaux lourds. Le point commun des expériences prévues en 2018 avec ce dispositif est l’étude de la structure du noyau, en interrogeant les relations entre les protons et les neutrons qui le composent.

Les chercheurs s’intéressent notamment aux noyaux possédant le même nombre de protons et de neutrons (N=Z), dont l’étude permet de révéler certaines composantes de l’interaction nucléaire, comme l’appariement proton-neutron. Il vise à décrire comment les nucléons se couplent par paire pour créer la structure du noyau. Au cours de cette campagne, le phénomène a été exploré grâce à l’étude du noyau de ruthénium-88 (44 protons, 44 neutrons).

La cible active Actar TPC et les trackers de faisceau Cats ont été utilisés lors d’une expérience en mai. Le cyclotron Cime n’a pas pu fournir le faisceau radioactif de fluor-17 initialement prévu. Il a néanmoins délivré un faisceau de néon-20 qui a été utilisé pour démontrer à nouveau le bon fonctionnement d'Actar TPC pour des réactions de diffusion résonantes, permettant de sonder les états excités du néon-20.

Trois expériences sont prévues auprès du spectromètre Lise lors de la campagne 2018.

Leur dénominateur commun est d’utiliser un ensemble de détecteurs de particules chargées, Must2, pour étudier la structure nucléaire et les modes de décroissance de noyaux radioactifs si instables qu’ils n’existeront que le temps de leur synthèse. L’enjeu est de comprendre comment les forces nucléaires structurent des noyaux atomiques possédant un (très) fort excès de protons en regard du nombre de neutrons qu’ils contiennent.

Pour la première expérience, le dispositif expérimental était composé de 5 télescopes Must2 pour détecter les particules chargées,  d’un multi-détecteur EXL composé de scintillateurs en iodure de césium (CsI) et d’un détecteur LaBr3 pour détecter les rayons gamma. Cette expérience a utilisé le faisceau radioactif d’oxygène-14, produit par Spiral1, et une cible de polypropylène (CH2) pour peupler et étudier les états excités du fluor-15 et leurs modes de décroissance (proton, 2-protons ou gamma). Cela pourrait avoir un impact en astrophysique sur notre compréhension des explosions appelées « sursauts X ».     

Dans une seconde expérience, les noyaux non liés de carbone-7 (6 protons et 1 neutron) et de bore-6 (5 protons et 1 neutron) ont été produits en deux étapes : les noyaux radioactifs de carbone-9 et de bore-8 ont été sélectionnés avec Lise dans la cassure de noyaux stables de carbone-12 délivrés à haute énergie par les cyclotrons CSS1 et CSS2 du Ganil, avant de perdre deux neutrons supplémentaires en interagissant avec une cible solide d’hydrogène. Must2 permet la détection des particules émises dans leur désintégration instantanée, avec la recherche particulière de l’émission d’un agrégat de 4 protons.

Dans la dernière expérience, le calcium-34 (20 protons et 14 neutrons) a quant à lui été étudié suivant le même principe, en partant de noyaux de radioactifs de calcium-36 auxquels deux neutrons ont été retirés en interagissant avec la cible d’hydrogène. L’un des buts de cette expérience est de déterminer si le calcium-34 est émetteur de 2 protons, un type de radioactivité extrêmement rare dans la charte des noyaux.

Lors de l’analyse des données, les propriétés des noyaux formés seront comparées à celles de leurs noyaux miroirs riches en neutrons, c’est-à-dire ayant un nombre symétrique de protons et de neutrons. Les propriétés du calcium-34 seront par exemple comparées à celles du fameux noyaux bulle étudié par le passé au Ganil : le silicium-34 (14 protons et 20 neutrons).  Celles du carbone-7 seront de la même manière comparées à celles de l’hydrogène-7 (1 proton et 6 neutrons) découvert au Ganil il y a 10 ans avec le détecteur Maya, et pour lequel la décroissance en un agrégat de 4 neutrons est actuellement recherchée au Japon.

Les trois expériences mobilisent des chercheurs de plusieurs laboratoires français et étrangers, dont une équipe de l’installation japonaise Riken qui nous prête pour l’occasion la cible d’hydrogène Crypta utilisant de l’hélium liquide pour solidifier l’hydrogène. Avec l’utilisation de Must2, ce sont ainsi plusieurs défis technologiques tout autant que scientifiques que devront relever les équipes mobilisées autour de Lise en 2018.   

Contact: Myriam Grar (Ganil)