SPALADIN

Présentation du projet

Physique et programmes

Étude de la réaction de spallation, données de physique pour l’énergie nucléaire

Objectifs de l’expérience

La mesure en coïncidence et en cinématique inverse de la réaction de spallation (A p à 1 GeV par nucléon) afin d’étudier en détail le mécanisme de la réaction.

Introduction

L’expérience SPALADIN a été conçue et réalisée pour étudier en détail la spallation de 56Fe à une énergie cinétique de 1 GeV, le fer étant le principal composant structurel de l’ADS, en particulier pour la fenêtre de vide située entre la cible de spallation et l’accélérateur de protons.

La description de la spallation est basée sur un modèle en deux étapes : Une cascade intranucléaire (INC) conduisant à la formation d’un noyau très excité, le préfragment, suivie de sa désintégration. La CNI correspond aux premiers instants de la réaction de spallation, lorsque, dans le cadre du centre de masse, le proton entrant entre en collision avec des nucléons du noyau cible qui peuvent, par la suite, se disperser sur d’autres nucléons de ce noyau. Cela conduit rapidement à la formation d’un système excité, le préfragment. Dans le modèle en deux étapes, on suppose que le préfragment est en équilibre statistique. La désexcitation du préfragment est décrite par des modèles statistiques qui peuvent inclure différents canaux de désintégration tels que l’évaporation de particules légères et de fragments, la désintégration binaire, la fission ou la multifragmentation. Dans la présente étude, nous comparons nos données avec un modèle INC, INCL4, et avec trois modèles de désexcitation, GEM, GEMINI et SMM. GEM généralise l’évaporation de Weisskopf-Ewing à la production de fragments de masse intermédiaire (FMI), jusqu’à 24Mg. GEMINI calcule la production de H, He, Li et Be dans le cadre du formalisme Hauser-Feshbach qui prend en compte l’influence du moment angulaire total du pré-fragment et la production de FMI plus lourds avec une fission asymétrique telle que calculée dans le modèle d’état de transition de L.G. Moretto. SMM inclut dans les canaux de désintégration l’évaporation Weisskopf-Ewing des FMI légers et la probabilité de multifragmentation (rupture instantanée du noyau excité). Nous n’avons pas utilisé le code ABLA pour cette étude car, dans sa version actuelle, ce modèle ne prend pas en compte la production directe de FMI qui s’est avérée être une partie assez importante de la section efficace inclusive par C. Villagrasa-Canton et al. au FRagment Separator (FRS) du GSI.

Il existe deux techniques pour l’étude expérimentale de la spallation : Soit l’utilisation de la cinématique directe, où le faisceau de protons est envoyé sur une cible atomique, soit l’utilisation de la cinématique inverse, dans laquelle le faisceau d’ions lourds est dirigé sur une cible de protons. Dans l’expérience SPALADIN, nous utilisons cette dernière, la cible de protons étant une cible d’hydrogène liquide d’environ 88 ^mg/cm2.

L’utilisation de la cinématique inverse dans l’étude de la spallation présente deux avantages. Le premier est que les fragments à faible énergie de centre de masse produits dans la réaction sont concentrés dans la direction avant, presque à 0 degré par rapport à la direction du faisceau. Cela signifie qu’une ouverture de détection limitée dans la direction avant offre, dans le cadre du centre de masse, une efficacité géométrique élevée. Le deuxième avantage est que ces fragments sont également émis principalement à la vitesse du faisceau ( v = 0,87 c à 1 GeV par nucléon), c’est-à-dire à haute énergie dans le cadre du laboratoire. Une telle propriété permet une mesure presque sans seuil de détection des résidus du FMI et de la spallation. La combinaison de ces deux caractéristiques de la cinématique inverse permet une caractérisation très efficace de la distribution de l’état final de la spallation lorsque les différents types de fragments et de particules sont mesurés en coïncidence : Résidus de spallation (ou lourds), FMI, particules chargées légères et neutrons. En principe, événement par événement, tous les produits de désintégration du pré-fragment devraient être détectés en coïncidence puisqu’un tel dispositif permet une couverture presque complète de l’espace des phases de désintégration du pré-fragment. Le présent travail fait suite à un effort de mesures complètes et approfondies effectuées au séparateur de fragments (FRS) du GSI (Darmstadt, Allemagne) sur la détection et l’identification des résidus lourds et des produits de fission dans la spallation de différents noyaux, de 56Fe à ^238Upour des énergies allant de 0,3 à 1,5 GeV par nucléon. En ce qui concerne ces mesures, une caractérisation plus complète des états finaux de la spallation devrait permettre une meilleure compréhension du mécanisme de spallation, en particulier de la désintégration pré-fragmentaire. En particulier, le mécanisme responsable de la production de fragments de masse intermédiaire n’a pas pu être fermement identifié avec ces mesures inclusives. La seule conclusion que l’on puisse tirer est que les modèles d’évaporation standard, même étendus au FMI, ne sont pas en mesure de reproduire les données. Remarquons ici que l’analyse des distributions de vitesse au centre de la masse du FMI pourrait être interprétée dans le cadre de SMM par le début de la multifragmentation. Le dispositif expérimental SPALADIN, présenté sur la figure 1, a été installé au GSI. Il était principalement composé d’une cible d’hydrogène liquide, d’un dipôle à grande ouverture (ALADiN), d’un dispositif de poursuite et d’identification des charges dédié aux résidus de spallation entre la cible et la bride d’entrée de l’aimant, d’une chambre de projection temporelle (TPC) reliée à un hodoscope pour la détection des particules chargées et d’un détecteur de neutrons à haute efficacité (LAND). Il est décrit en détail dans la thèse de doctorat d’E. Le Gentil, publiée en 2006. Les efficacités de détection des différents types de fragments et de particules ont été déterminées à partir de l’analyse des données. Elles sont de 44 % pour H, 78 % pour He, 83 % pour Li et plus de 94 % pour les fragments les plus lourds. L’efficacité géométrique de l’installation a été calculée à l’aide d’une simulation GEANT 4 complète. Elles sont de l’ordre de 20 % pour les protons, de 80 % pour l’He et de presque 100 % pour les fragments plus lourds. Les modèles théoriques ont été filtrés par cette simulation GEANT 4 pour effectuer la comparaison avec nos données. De plus, en raison des valeurs estimées pour les efficacités géométrique et de détection, nous limitons la discussion ci-dessous à la détection des fragments de charge Z ≥ 2. Nous constatons en effet que pour les protons, nous avons une efficacité globale de 9 %, une valeur plutôt faible.

Nous avons identifié cinq types d’états finaux pour la réaction 56Fe p , en fonction du nombre de fragments détectés de charge Z ≥ 3 : un fragment sans He (Z=2), un fragment avec au moins un He, au moins deux fragments avec au moins un He, deux fragments sans He, au moins trois fragments sans He.

Les contributions de ces états finaux aux sections efficaces de production des éléments sont présentées dans la figure 2. Deux caractéristiques fondamentales de ces contributions peuvent être observées dans les données : 1) la production de résidus lourds (Z ≥ 15) provient principalement, c’est-à-dire au moins 90 % des sections efficaces, de l’évaporation de neutrons, d’isotopes d’hydrogène ou d’héliums ; 2) les FMI (3 ≤ Z ≤ 8) sont produites essentiellement dans des réactions conduisant à au moins deux fragments dans l’état final. De plus, il faut souligner que la production de FMI dans la réaction 56Fe p à 1 GeV est en fait dominée par des états finaux à deux fragments. Cela signifie que la scission asymétrique, qu’il s’agisse de la fission asymétrique proposée par le modèle de l’état de transition ou de la fragmentation conduisant à des états finaux à deux fragments ou de tout autre mécanisme, domine la production de FMI dans cette réaction. En particulier, il semble que l’évaporation « classique » joue un rôle moins important pour cette partie de la section efficace que pour la production de résidus lourds et que des mécanismes de production directe de FMI sont en jeu. La région des charges 9 ≤ Z ≤14 correspond à un mélange plus équilibré de l’évaporation de nucléons et d’hélium avec la production de FMI.

Nous avons comparé nos données avec GEM, GEMINI et SMM couplé à INCL4, comme mentionné dans l’introduction. La comparaison est présentée dans la figure 2, en haut à droite, en bas à gauche et à droite, où les courbes complètes donnent les données SPALADIN et les différentes contributions à l’état final des modèles aux sections efficaces élémentaires sont représentées sous forme d’histogrammes. Cette comparaison montre que les caractéristiques de base des sections efficaces élémentaires sont assez bien décrites par les modèles, à l’exception de GEM qui sous-estime fortement la production de fragments de charge 5 ≤ Z ≤ 12 de près d’un ordre de grandeur. La décomposition des sections efficaces élémentaires dans les différents états finaux identifiés montre tout son intérêt. En effet, les prédictions des modèles peuvent varier par de grands facteurs pour un canal de désintégration donné même si l’accord avec les données sur les sections efficaces élémentaires peut être assez satisfaisant. La comparaison avec les données montre un accord de INCL4 GEM pour les canaux dominés par l’évaporation du nucléon et de l’hélium (Z plus élevé dans la fig. 2) et pour la contribution des états finaux à 3 fragments. INCL4 SMM surestime de manière significative les canaux multi-fragmentaires, en particulier à faible Z. Même s’il ne décrit pas parfaitement les données, nous pouvons Z1-Z2 affirmer, à partir de cette comparaison, qu’INCL4 GEMINI fournit une meilleure description que les deux autres modèles.

Les états finaux multi-fragmentaires correspondent à des énergies moyennes d’excitation pré-fragmentaire relativement élevées, tandis que les canaux d’évaporation du nucléon et de l’hélium sont liés à des énergies moyennes d’excitation relativement plus faibles. Afin de mieux comprendre l’évolution du mécanisme de désintégration de l’évaporation des particules légères à l’émission directe de l’IMF, il est nécessaire d’étudier l’évolution de ce mécanisme en fonction de l’énergie d’excitation du pré-fragment. La première étape d’une telle étude est de trouver des observables expérimentales corrélées à cette énergie d’excitation. A l’instar de la collaboration NESSI et du groupe ALADiN, nous avons tenté d’utiliser deux variables : _Zbound, la somme des charges des fragments détectés à l’exception des isotopes de l’hydrogène, et M(n) M(He, Z = 2), la somme des multiplicités détectées des neutrons et des isotopes de l’hélium. En utilisant la simulation GEANT 4 du dispositif expérimental SPALADIN, nous avons pu montrer que les deux variables sont corrélées à l’énergie d’excitation du pré-fragment, comme le montre la figure 3. En outre, nous avons constaté que ces corrélations sont indépendantes des modèles de désexcitation que nous avons utilisés : ABLA, GEM, SMM et GEMINI. Cela signifie que nous pouvons sélectionner les événements détectés dans les tranches d’énergie d’excitation pré-fragmentées en utilisant ces observables et indépendamment de tout modèle.

En concentrant l’étude sur les événements avec au moins deux fragments (Z ≥ 3), nous sélectionnons trois plages dans la variable M(n) M(He) pour étudier l’évolution de la distribution de la section transversale de la différence de charge Z1– Z2où Z1et Z2sont les charges des fragments les plus lourds et du deuxième fragment le plus lourd de l’événement respectivement, comme le montre la fig. 4. Nous observons dans les données une tendance à passer d’états finaux où les deux fragments sont assez différents(Z1– Z2allant de valeurs faibles jusqu’à 14-16) à des états finaux où les deux fragments les plus lourds sont de taille similaire(Z1– Z2) restant à des valeurs faibles, de 0 à 6). Cela indique une transition claire entre des scissions plutôt asymétriques et des scissions plus symétriques. Une telle transition est très bien décrite par le modèle GEMINI et plutôt mal par les deux autres. GEM prédit une distribution Z1– Z2presque constante avec M(n) M (He) alors que SMM prédit la présence d’une bosse dans Z1– Z2pour les deux premières gammes de M(n) M(He) qui est absente dans les données. La distribution de Z1– Z2pour la plage la plus élevée de M (n) M(He) est beaucoup mieux décrite par SMM.

Dans l’expérience SPALADIN, nous appliquons la technique de la cinématique inverse à la mesure de la réaction 1 GeV de l’énergie cinétique du proton dans le cadre du centre de masse. Grâce aux propriétés de cette technique, nous pouvons détecter efficacement les fragments à faible énergie cinétique au centre de la masse produits dans la réaction, c’est-à-dire principalement les produits de désintégration du pré-fragment formé à la fin de la phase de cascade de la réaction. Cela nous permet de mesurer les sections efficaces absolues des états finaux multi-fragmentaires. Cela nous donne accès aux valeurs absolues des largeurs de désintégration partielle du pré-fragment. Comme nous le montrons ici, une telle mesure constitue un solide banc d’essai pour les modèles de mécanismes de spallation. Nous pouvons notamment montrer que la production de fragments de masse intermédiaire (FMI) dans la réaction 56Fe p à 1 GeV est principalement due à des scissions asymétriques qui donnent essentiellement des états finaux à deux fragments, un lourd et un plus léger, en coïncidence avec (très probablement) des particules légères évaporées telles que des neutrons, des isotopes H et He. De plus, cette couverture efficace de l’espace des phases de l’état final nous permet de trouver des observables expérimentales corrélées à l’énergie d’excitation du pré-fragment. Nous avons pu montrer que ces corrélations sont indépendantes des modèles utilisés pour décrire la désintégration du pré-fragment. Cela signifie que nous sommes maintenant capables d’étudier l’évolution du mécanisme de réaction avec l’énergie d’excitation du préfragment et d’analyser nos données sans avoir besoin d’utiliser un modèle de désintégration du préfragment pour estimer cette énergie d’excitation dans la réaction. Nous avons appliqué cette caractéristique à l’étude du mécanisme de production du FMI et montré que l’évolution de la production du FMI avec l’énergie d’excitation du préfragment est bien décrite par le modèle GEMINI.

Nous allons utiliser la même technique expérimentale, c’est-à-dire la cinématique inverse et les mesures de coïncidence, pour deux autres études de la spallation : l’étude des réactions ^28Si p et 136Xe p , la mesure des canaux de fission de la spallation des noyaux lourds.

Les deux expériences seront réalisées à des énergies de faisceau allant de 0,5 à 1 GeV par nucléon. La première mesure complètera l’étude présentée ici et fournira une dépendance en masse du mécanisme de spallation et des différents canaux de réaction. La seconde expérience vise à mesurer en coïncidence les fragments de fission, les neutrons évaporés et les héliums produits. Une telle détection de coïncidence permettra de reconstruire les caractéristiques du système de fission, ce qui est d’une importance majeure pour la compréhension et la modélisation de la fission qui se produit en spallation sur des systèmes hautement excités (le pré-fragment produit à la fin de la cascade intranucléaire).

A plus long terme, la collaboration SPALADIN est impliquée dans la collaboration^R3B. Cette collaboration a en charge la branche haute énergie de l’installation de faisceaux secondaires du futur projet FAIR du GSI. R3B construit un nouvel aimant dipolaire supraconducteur à grande acceptation qui augmentera considérablement la couverture de l’espace de phase de l’état final des réactions ioniques dans la gamme des GeV par nucléon et, en particulier, des réactions de spallation dans la cinématique inverse. En utilisant ce nouvel aimant et une chambre de projection temporelle plus grande adaptée à ses dimensions, nous pourrons mesurer en coïncidence les fragments légers, les neutrons, les produits de fission ou les résidus lourds de la spallation de noyaux tels que le 208Pb ou le ^238Uavec une efficacité géométrique très élevée pour tous les produits de la réaction. Comme nous avons pu le calculer en utilisant une simulation GEANT 4 de la future installation^R3B, l’efficacité géométrique de l’installation devrait passer de 80 à 95 % pour les héliums et de 20 à 80 % pour les protons produits dans les réactions de spallation. Une telle expérience constituera une référence définitive pour les modèles théoriques de spallation, pour la phase de cascade intranucléaire ainsi que pour la phase de désexcitation. Grâce à la couverture nettement améliorée de l’espace des phases de l’état final par rapport à SPALADIN, nous serons en mesure d’identifier efficacement de nombreux états finaux différents de la réaction, chacun d’entre eux, comme montré ici pour le système plus léger 56Fe p , étant un test pour les modèles de mécanisme de spallation. En outre, une détection plus efficace des produits de désintégration du préfragment par rapport à la configuration actuelle de SPALADIN permettra de reconstruire des observables expérimentales fortement corrélées aux caractéristiques du préfragment : Énergie d’excitation, masse et charge. Ces observables constitueront de bons tests des modèles de cascade intranucléaire et seront indépendants des canaux de désintégration du préfragment. À cet égard, le modèle de spallation en deux étapes sera entièrement testé avec les mêmes données : Les modèles INC seront testés indépendamment des modèles de désintégration du préfragment et les modèles de désintégration seront comparés aux données d’une manière indépendante des modèles INC, comme cela est montré ici avec les données SPALADIN sur la production d’IMF.

Contributions du Dapnia

Pour l’expérience SPALADIN, le DAPNIA a fourni à GSI une cible d’hydrogène liquide construite par le SACM ainsi que des détecteurs de position à haute résolution installés entre la cible et l’entrée de l’aimant ALADiN afin de suivre les résidus lourds des réactions de spallation se produisant à l’intérieur de la cible.

Responsabilités

Le DAPNIA est en charge de la collaboration, le porte-parole étant le SPhN

Taille de l’expérience

La collaboration a commencé ses travaux en 2000 avec l’étude de faisabilité de l’expérience et la soumission de la proposition au comité consultatif du programme GSI, qui l’a approuvée et lui a accordé du temps de faisceau.

La collaboration rassemble environ 30 physiciens de 7 instituts de recherche ou universités européens différents.

Divisions du DAPNIA impliquées dans l’expérience

SACM : responsable de la construction de la cible d’hydrogène liquide.

SEDI : en charge de la construction des détecteurs de position à haute résolution pour les résidus de spallation produits dans la cible.

SPhN : responsable de l’expérience en tant que porte-parole.

Collaboration

– DAPNIA, CEA-Saclay, France

– GSI, Darmstadt, Allemagne

– Institut de Physique Nucéaire d’Orsay, CNRS/IN2P3, France

– Département de physique, Université de Santiago de Compostella, Espagne

– Département de physique, Université de technologie de Munich, Garching, Allemagne

– Université Jagellonian, Cracovie, Pologne,

– Institut de physique nucléaire, Cracovie, Pologne,

– GANIL, CEA/DSM & CNRS/IN2P3, Caen, France

Contacts

Jean-Eric Ducret

Instrumentation

Instruments

Une nouvelle cible d’hydrogène liquide avec des fenêtres très fines (de quelques micromètres d’épaisseur) a été développée et construite au DAPNIA / SACM. Des détecteurs de position à haute résolution ont été construits par DAPNIA / SEDI pour assurer le suivi des résidus de spallation devant l’aimant dipolaire ALADiN. Ce suivi était nécessaire pour permettre la reconstruction de la masse des résidus, en combinaison avec un Cherenkov à imagerie annulaire fourni par nos collaborateurs de Garching.

VIE DE L’EXPÉRIENCE

Historique et principaux jalons :

– La proposition a été soumise au comité consultatif du programme du GSI en décembre 2000. Elle a été acceptée à l’époque et s’est vu attribuer 8 jours de temps de faisceau.

– La prise de données de l’expérience a eu lieu en février 2004, avec succès. Deux mesures ont été effectuées avec le faisceau de ^56Fe: à 1 GeV et à 0,5 GeV par nucléon.

– L’analyse des données à 1 GeV s’est poursuivie jusqu’au printemps 2006, jusqu’à l’obtention des premiers résultats, présentés ici. L’analyse des données à 0,5 GeV est toujours en cours.

– Les deux propositions (l’étude de la spallation du 28Si et du 136Xe et l’étude des canaux de fission dans la spallation du ^181Ta, ^208Pb et ^238U) ont été présentées au comité consultatif du programme GSI au printemps 2005 et se sont vu attribuer 8 jours de temps de faisceau pour chacune d’entre elles.

PRODUCTION INTELLECTUELLE

– Publications :

– Conférences et ateliers :

Les données à 1 GeV par nucléon de l’expérience SPALADIN ont été présentées dans les conférences suivantes : « Nuclear Data 2004 », Santa-Fe (USA), « Accelerator Applications 2005 », Venezia (Italie), International Workshop on Multifragmentation 2005, Catania (Italie), « Nucleus-Nucleus Collisions 2006 », Rio de Janeiro (Brésil), « Nuclear Data 2007 », Nice (France), « Accelerator Applications 2007 », Pocatello (USA)

– Thèses :

E. Le Gentil, Thèse de doctorat, Université d’Evry, septembre 2006, « Analyse des résidus de spallation et des particules associées dans la réaction ^56Fep à 1 GeV par nucléon »