Nuclear Physics Division

Cadre du projet

Le projet BTD s’inscrit dans le cadre d’expériences de spectroscopie des noyaux radioactifs  par rayonnements g et particules légères au GANIL essentiellement avec les faisceaux SPIRAL puis SPIRAL2. Ces expériences ont pour but d’étudier la structure des noyaux exotiques de façon à mieux comprendre les interactions qui lient les protons et les neutrons au sein du noyau et les effets correspondant à différents modes d’excitation. Notamment la variable de l’isospin (nombre de neutrons par rapport au nombre de protons) dans les noyaux exotiques peut prendre des valeurs très grandes par rapport aux isotope(s) stable (s). Cela a permis de mettre en évidence de nouveaux comportements des noyaux, comme le phénomène de halo de neutrons (extension spatiale des neutrons très importante), ou d’agrégation des nucléons (regroupements de nucléons dans un noyau).

Ces détecteurs de faisceau sont une partie de l’ensemble des détecteurs destinés à permettre l’étude des faisceaux exotiques. Ils sont destinés à fonctionner conjointement avec d’autres types de détecteurs comme :

-          EXOGAM pour la détection de rayons  g,

-          MUST, MUST2 pour la détection de particules légères autour de la cible d’interaction

-          VAMOS en tant que spectromètre à grande acceptance, pour la détection et l’identification d’ions lourds de basse énergie.

A plus long terme, les projets AGATA (pour le rayonnement  g) et GRAPA (pour la détection de particules) s’inscrivent comme des développements de ce type d’instrumentation pour les accélérateurs du futur (EURISOL, GSI).

L'Irfu est fortement impliqué dans le développement de ces différents instruments.

 

Expériences de réactions directes

Les réactions directes sont un mode privilégié d’étude des noyaux radioactifs. On entend ici par « réaction directe » une réaction entre deux noyaux suffisamment brève pour que la connaissance de la cinématique des particules (leur énergie et leur direction) avant et après la réaction puisse donner directement des informations sur la réaction elle-même. Ces mesures permettent de reconstruire les distributions angulaires des sections efficaces de réaction et les spectres en énergie d’excitation des noyaux étudiés qui donnent des informations sur la structure, ainsi que sur les modes de réactions eux-mêmes.

La diffusion, élastique ou inélastique, du projectile sur une cible ou le transfert d’un certain nombre de nucléons entre la cible et le projectile sont des réactions directes.

Les variables d’intérêt pour ces réactions sont  (voir figure 2) :

-          les masses et numéros atomiques des différents ions après réaction,

-          leurs énergies respectives (E_d, E_p),

-          les angles de diffusion des ions (Q_d, Q_p)

Les angles, les masses et les énergies sont reliés par des relations cinématiques connues.

L’identification en masse et charge des ions est assurée par des détecteurs placés autour de ou après la cible. Par exemple MUST2 mesure l’énergie et le temps de vol des particules légères (Z<6) pour les identifier. Le spectromètre VAMOS mesure l’énergie des ions et une perte d’énergie dans une chambre à ionisation pour identifier les ions plus lourds. Les mesures des  énergies des ions sont également prises en charge par ces détecteurs.
La mesure des angles de diffusion nécessite de prendre en compte les caractéristiques des ions du faisceau. En effet, les faisceaux de noyaux exotiques ont une émittance large qui est due à leur mode de production. Non seulement leur ouverture angulaire est importante (quelques degrés), mais leur extension spatiale sur la cible n’est pas négligeable devant la précision des mesures. Ils s’étendent parfois sur plusieurs centimètres carrés. Il est donc indispensable de connaître la trajectoire de chaque ion du faisceau et son point d’impact sur la cible. Pour cela, il suffit de reconstruire en deux points en amont du faisceau les positions de passage de chaque ions du faisceau. Les figures 3 et 4 montrent les lignes cinématiques reconstruites à l’aide de deux détecteurs CATS pour une réaction de diffusion d’un faisceau de ¹¹C sur une cible de protons. La figure a) montre le résultat avec une reconstruction des trajectoires des ions du faisceau, la figure b) sans cette reconstruction. Les lignes claires qui apparaissent sur la figure 3 sont complètement brouillées par l’émittance du faisceau dans la figure 4.

Enfin, il est important que les détecteurs de faisceau puissent donner un signal rapide, ce qui permet de déterminer les temps de vol des ions avec précision. Ce signal peut également être utilisé comme référence en temps et servir de déclencheur de la détection, afin de normaliser les données recueillies par rapport au flux d’ions incidents.