Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

La désintégration double bêta sans émission de neutrinos (0ν2β) est un processus hypothétique dans lequel deux neutrons à l'intérieur d’un noyau se transforment en deux protons en émettant deux électrons mais aucun neutrino. Si elle venait à être observée, cette désintégration aurait des implications importantes sur notre compréhension des lois fondamentales de la nature.

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.

La dernière pièce d'une longue aventure commencée en 2014 avec une expérience menée par l'Irfu et le RIKEN Nishina Center a été posée avec la publication d'un article contenant l'étude comparative de la corrélation dineutrons dans 11Li, 14Be et 17B [1]. Cet article publié dans Phys. Lett.

La prédiction des propriétés nucléaires fondée sur une description réaliste de l'interaction forte est le principal objectif de la théorie nucléaire à basse énergie. L'un des problèmes réside dans le coût de la résolution de l'équation de Schrödinger qui augmente de façon exponentielle avec le nombre de nucléons.

La résonance dipolaire pygmée (PDR) est un mode vibration du noyau qui apparaît dans les noyaux riches en neutrons. Elle est décrite comme l’oscillation d’une peau de neutrons contre un cœur symétrique en nombre de protons et de neutrons (Figure 1). La PDR a été le sujet de nombreuses études à la fois expérimentales et théoriques.

Les nucléons sont des particules sociales. Non seulement ils aiment vivre en communauté à l'intérieur des noyaux, mais ils forment également des couples au sein de ces communautés. En effet, on peut observer des protons et des neutrons formant des paires à l'intérieur des noyaux.

Deux instruments de pointe, GLAD et COCOTIER, ont étés conçus et construits à l’Irfu dans les dernières années et sont maintenant opérationnels au sein de la salle expérimentale R3B de l’accélérateur d’ions lourds de GSI (Darmstadt, Allemagne). Les deux sont destinés à faire partie de l’équipement qui sera utilisé auprès de FAIR, la nouvelle machine en construction sur le site de GSI.

Les anciens l’avaient bien compris, les héros, tel Orion avec Sirius, ont besoin de leur fidèle compagnon. Les ingénieurs et physiciens de l’Irfu ainsi que leurs collaborateurs ne dérogent pas à la règle et viennent de terminer l’élaboration d’un Sirius moderne, élément clé du super séparateur spectromètre (S3) en cours de construction au Ganil.

Deux noyaux "miroirs", dans lesquels les nombres de neutrons et de protons sont intervertis, ont des formes très différentes, ce qui défie les théories nucléaires actuelles. Ce résultat frappant a été obtenu par des chercheurs de l'Irfu en collaboration avec une équipe internationale et a été récemment publié dans Physics Review Letter [1] et mis en avant comme suggestion de l'éditeur [2].

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.

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.

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.

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.

Prédire, par exemple, les propriétés des molécules ou des noyaux atomiques à partir des principes de base nécessite de résoudre l'équation de Schrödinger avec une grande précision. Le coût de calcul pour trouver des solutions exactes de l'équation de Schrödinger augmente de manière exponentielle avec le nombre de particules constituant le système.

L'appariement est omniprésent en physique. De la supraconductivité au modèle en couches quantique, le couplage de particules pour former des paires est l'un des moyens préférés par la nature pour réduire l'énergie d'un système.

Une collaboration internationale conduite par le CEA-Irfu et l’Institut Riken (Japon) démontre, pour la première fois, la stabilité exceptionnelle du noyau de nickel 78 (très riche en neutrons) et son caractère doublement magique.

Au cours d’une expérience réalisée au GANIL à Caen (France), une équipe internationale, menée par des chercheurs de l’Irfu et de l’Université d’Oslo, a étudié la forme du noyau de Zirconium-98. La forme d’un noyau correspond à la zone où ses protons et neutrons peuvent se trouver.

Le premier triplet de multipôles supraconducteurs du spectromètre S3, l’une des salles d’expériences de l’installation Spiral2, est arrivé au Ganil le 29 août 2018. L’aimant, d’une masse de 2,8 tonnes, mesure 1,8 m de long et presque autant de haut.

Au cours d’une expérience réalisée auprès de l’accélérateur de l’Australian National University (Canberra, Australie), une collaboration franco-australienne (Ganil Caen, IPN Orsay, Irfu/DPhN Saclay, ANU Canberra) a pour la première fois identifié en numéro atomique Z jusqu’au plutonium (Z=94), et en masse A les fragments créés dans des réactions de quasi-fission.

Sous la responsabilité de physiciens du CEA Irfu et de RIKEN (Japon), une collaboration internationale des équipes de RIKEN RIBF, de l'Irfu (SPhN, SACM, SEDI) et d'autres groupes européens dont l'IPNO a réalisé la première spectroscopie des isotopes très riches en neutrons 98,100Kr.

Une équipe internationale menée par l’Irfu et RIKEN (Japon) a conçu et conduit une expérience pour réaliser la première mesure de la spectroscopie du 110Zr. C’est un noyau clef pour comprendre la structure des noyaux les plus exotiques et la genèse des éléments lourds dans l’univers.

Une collaboration, menée par les physiciens du GANIL, de l'IN2P3 (CSNSM) et de l'Irfu (SPhN), a étudié les formes des noyaux exotiques autour de N~60, A~100 auprès de l’installation REX-ISOLDE au CERN en utilisant la méthode d'excitation coulombienne.

La comparaison des calculs ab initio et des données expérimentales a fait l’objet d’un travail original initié par les physiciens du Service de Physique Nucléaire du CEA-Saclay : pour la première fois, l’étude menée associe deux types d’observables fondamentales du noyau : la masse (énergie de liaison de l’état fondamental) et la taille en termes de rayon nucléaire, sous la forme du rayon quadratique moyen de la densité de matière (ensemble des nucléons, protons et neutrons), et la comparaison proposée est étendue aux isotopes les plus riches en neutrons.

La cible d’Hydrogène liquide du dispositif MINOS a été testée avec succès dans les salles de l’accélérateur de RIKEN au Japon. Le projet MINOS a pour but d’étudier les propriétés des noyaux très exotiques par réaction avec les protons de la cible d’Hydrogène.

  De nouveaux résultats expérimentaux permettent de tester l’hypothèse de couches nucléaires pour les noyaux atomiques éloignés de la vallée de la stabilité nucléaire.

  Le spectromètre AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) est un spectromètre gamma de nouvelle génération qui permettra de percer les mystères de la structure nucléaire. Il sera à terme composé de 180 cristaux de germanium de très grande pureté. L’Irfu joue un rôle crucial dans la définition des programmes de physique, le management du projet et la construction du spectromètre.

  Des physiciens nucléaires du CEA/Irfu, en collaboration d’autres laboratoires1 ont réalisé en mars 2012 à Jyväskylä en Finlande, la première spectroscopie du noyau Mendélévium (251 Md) combinant la détection des électrons et des gammas grâce au spectromètre SAGE.

  La problématique des superlourds L’élément le plus lourd présent significativement sur Terre est l’uranium, qui a 92 protons. Mais les hommes ont réussi à produire en laboratoire des éléments plus lourds, jusqu’à 118 protons.

    L’instrument MUSETT1 a détecté ses premiers noyaux lourds lors d’une phase de tests qui a eu lieu au début du mois d’avril 2010 auprès de l’accélérateur du GANIL2 à Caen. MUSETT a été construit dans le but d’identifier les éléments très lourd, les transfermiens, c'est à dire les éléments situés au-delà du fermium (Z=100).

En parallèle des développements menés sur l'instrumentation nécessaire à l'exploitation des faisceaux de SPIRAL2, il est nécessaire de produire des cibles d'hydrogène pur pour accroître la pureté et la luminosité par rapport aux cibles actuelles.