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La Recherche fondamentale

Les recherches effectuées au GANIL visent à améliorer notre connaissance de la matière à l'échelle du noyau atomique (domaine de la physique nucléaire) et de l'atome (domaine de la physique atomique). Elles s'appuient sur la production de noyaux dits "exotiques" parce qu'il n'existent pas à l'état naturel sur Terre, ainsi que sur l'utilisation de faisceaux d'ions stables intenses.

 

 

Les activités de recherche du GANIL sont à la fois expérimentales et théoriques. Elles portent sur les domaines suivants :

  • L'astrophysique nucléaire
  • La structure du noyau atomique
  • Les processus de fission nucléaire et de multifragmentation
  • La matière chaude et dense
  • La physique de la matière à l'état solide

 

L'astrophysique nucléaire

Dans quelles étoiles les éléments chimiques ont-ils été créés ? Peut-on expliquer les énergies considérables générées dans les explosions stellaires ? Comment évoluent les étoiles ?

C’est le domaine de recherche appelé « astrophysique nucléaire » qui tente de répondre à ces questions fondamentales. Il a été initié il y a un siècle par des physiciens nucléaires (Hans Bethe en particulier). Ce domaine est encore l’objet de recherches très actives, en particulier pour la compréhension de l’origine des éléments chimiques, ce qu’on appelle la nucléosynthèse. Le GANIL, qui offre aux chercheurs du monde entier la possibilité d’utiliser des faisceaux accélérés de noyaux stables et radioactifs, est un lieu privilégié pour ces recherches. Au GANIL, il est en effet possible de mesurer certaines réactions nucléaires importantes qui sont susceptibles d’avoir lieu dans les étoiles et qui sont à l’origine de la création des éléments chimiques. On peut également étudier les propriétés des noyaux et utiliser cette connaissance pour mieux comprendre les phénomènes stellaires.


Quelques exemples de travaux de recherche récents :

·         Prédire le spectre gamma des explosions novae

Les novae sont des explosions se produisant dans des systèmes binaires d’étoiles. Une des deux étoiles dépose de la matière sur la surface de l’autre, petite et chaude appelée naine blanche. A partir  d’un certain seuil de pression, un emballement de réactions nucléaires se produit à la surface de l’étoile. Récemment des rayonnements gamma de très haute énergie issus de ces explosions ont été observés avec le télescope spatial Fermi. Les modèles prédisent que la lumière gamma de relativement basse énergie émise par les novae est dominée par un rayonnement gamma à 511 keV (une lumière de grande énergie induite par l’annihilation d’anti électrons produits dans la décroissance radioactive des noyaux produits lors de l’explosion). L’intensité de ce rayonnement dépend principalement de l’abondance de l’isotope de fluor-18, dont le noyau contient 9 protons et 9 neutrons. L’abondance de cet isotope de fluor 18 dépend elle-même de la probabilité de production et de destruction de cet isotope. La réaction « fluor-18 » + proton -> oxygène-15 + une particule alpha », que l’on écrit de manière condensée 18Ne(p,alpha)15O, est la réaction la plus importante et la moins bien connue pour expliquer l’abondance du fluor-18. Nous avons entrepris plusieurs expériences pour mieux connaître cette réaction et donc être capable de prédire l’intensité du rayonnement gamma issu des novae. La dernière en date, l’expérience E641S réalisée au GANIL est en cours d’analyse. Elle vise à caractériser la structure du noyau intermédiaire néon-19, produit par la capture d’un proton (de l’hydrogène) par le fluor-18. Il s’agit plus particulièrement de mesurer les propriétés encore inconnues de certains états excités du néon-19, ou de confirmer celles qui existent déjà. Ce sujet est la suite de l’étude E561S (publiée en 2012), et de la thèse de J.C. Dalouzy (2008). Une thèse est en cours sur ce sujet (M. F. Boulay, sept 2012-aout 2015). Les premiers résultats les plus importants sont prévus pour 2015. On prévoit de présenter les résultats finals dans une conférence internationale (NPA) en mai 2015.

Collaboration

Univ d’ Edinbourg, GANIL, IPN-Orsay, Université d’York, Serbie, Rez République Tchèque, HH Roumanie, Huelva Espagne, CSNSM Orsay France, LPC Caen France, Bruyère CEA France).

Articles

J. C. Dalouzy et al. Physical Review Letters 102, 162503 (2009) : “Discovery of a new broad resonance in 19Ne: Implications for the destruction of the cosmic gamma-ray emitter 18F.”

D. J. Mountford et al. Physical Review C 85 022801 (2012) : « Resonances in 19Ne with relevance to the astrophysically important 18F(p,α)15O reaction”

 

·         L’origine des noyaux « p »

Les noyaux dits « p » sont des noyaux d’atomes stables, plutôt rares dans l’Univers, qui comptent généralement un excès de protons par rapport aux autres noyaux stables connus. Par exemple, l’élément krypton dont le noyau compte 36 protons, a un isotope « p » appelé krypton-78 comportant 52 neutrons dont l’abondance sur Terre représente seulement 0,36 % de tout le krypton présent naturellement. On ne connait pas bien l’origine de ces noyaux « p ». On pense qu’ils sont produits dans des explosions appelées « supernovae ».

Au GANIL, nous avons un programme expérimental, en collaboration avec des équipes grecques et allemandes, pour mesurer les probabilités (on parle en physique nucléaire de « sections efficaces ») de certaines réactions nucléaires importantes en regard de l’abondance des « noyaux p ». L’expérience E563, réalisée en 2009, visait ainsi à mesurer la section efficace à basse énergie de la réaction 78Kr(a,γ)82Sr conduisant à la destruction du krypton-78. Le filtre de vitesse du spectromètre LISE a été utilisé pour sélectionner le noyau composé de strontium-82 et rejeter la plus grande partie du faisceau incident intense qui n’a pas interagi avec la cible solide contenant les particules alpha. L’excellente réjection du filtre, meilleure que 1 sur 10^10 n’a pourtant pas permis de s’affranchir d’une importante pollution dont l’origine pourrait être due à des inhomogénéités de la cible. Un test utilisant une cible gazeuse sans fenêtre a été réalisé en mars 2012. Il a permis de vérifier que l’utilisation d’une telle cible est compatible avec le niveau de vide très élevé requis par l’utilisation du filtre de vitesse. En 2014, des tests réalisés sans faisceau ont montré que l’épaisseur effective de la cible gazeuse n’est pas suffisante. Une nouvelle cible gazeuse est  en cours d’élaboration. Des simulations de la réaction nucléaire envisagée ont montré que le réglage de l’expérience est plus difficile que prévu. Nous devons maintenant étudier des solutions pour simplifier la mesure. Une expérience est programmée au GANIL en juillet 2015.

Collaboration

Demokritos, Grèce ; GANIL ; Bochum Allemagne; Edinbourg UK; Univ.de  Notre Dame USA; Weissmann Institute Israël; Saraf ; JYFL Finlande

 

·         L’énigme de l’abondance du lithium 7

Aujourd’hui, les recherches sur la nucléosynthèse primordiale se focalisent sur le lithium-7 (un noyau stable composé de 3 protons et de 4 neutrons), dont l’abondance mesurée est 3 fois plus faible que l’abondance prédite par les modèles théoriques. Cette différence, est considérée comme l’indice d’un processus astrophysique encore inconnu. Nous collaborons avec une équipe de l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay pour mieux comprendre l’origine du lithium-7.

Article

F. Hammache et al..  Physical Review C 88, 062802(R) (2013): “Search for new resonant states in 10C and 11C and their impact on the cosmological lithium problem.”

 

·         La compréhension des sursauts X

Les sursauts X (« X-ray bursts » en anglais) sont des phénomènes explosifs se produisant dans un système binaire d’étoiles comprenant une étoile normale et une étoile à neutron ou un trou noir. On a observé dans ces systèmes de brusques et périodiques émissions de rayonnements lumineux de haute énergie (rayons X). Il s’agit aujourd’hui de confirmer le modèle astrophysique proposé pour expliquer ces sursauts, et de comprendre l’intensité et la structure en temps de ces émissions X. Pour cela, nous mesurons les propriétés des noyaux dits « exotiques », tellement déficients en neutron qu’ils n’existent pas sur Terre naturellement (ils sont radioactifs et tellement instables qu’ils ne vivent que très peu de temps après avoir été fabriqués dans les étoiles). L’expérience E442S, dont les résultats ont été publiés en 2014, a ainsi porté sur le noyau particulier de fluor-16 : avec seulement 7 neutrons pour 9 protons, ce noyau important pour la compréhension des sursauts X est tellement instable qu’il est impossible de l’étudier en laboratoire car il ne vit pas assez longtemps.  L’expérience réalisée au GANIL a néanmoins permis de prédire les propriétés de ce noyau en étudiant celles de son «  noyau miroir », l’azote-16, un noyau radioactif accessible en laboratoire comptant le même nombre de nucléons mais dans lequel les nombres de protons et de neutrons sont inversés (7 protons et 9 neutrons).

Collaboration

Université d’Edinbourg, LPC Caen, GANIL, NPI Rez, République Tchèque, IFIN-HH Roumanie

Articles       

A Pichard et al.  EPJ A 47, 72 (2011) : “A new cross−section measurement of reactions induced by 3He particles on a carbon target.”    

M. Assié et al. Physics Letters B, Volume 721, 198 (2012) : “Spectroscopy of 18Na: Bridging the two−proton radioactivity of 19Mg “

I. Stefan et al.. Physical Review C 90, 014307 (2014) : “Probing Nuclear forces beyond the drip-line using the mirror nuclei 16N and 16F”. http://hal.in2p3.fr/in2p3-01005736     

 


·         La combustion hydrostatique

La plupart des études réalisées en astrophysique nucléaire au sein de notre groupe consistent à reproduire en laboratoire les réactions nucléaires dont on pense qu’elles jouent un rôle important dans la vie des étoiles. Cependant, les conditions dans lesquels ces réactions ont lieu en laboratoire peuvent être significativement différentes de celles qui prévalent dans les étoiles. En particulier, les sections efficaces de réactions mesurées en laboratoire à basse énergie pour étudier la « combustion hydrostatique » qui a lieu dans les sites astrophysiques où la température est relativement faible (~x °C) diffèrent de celles des réactions ayant lieu dans le plasma stellaire du fait de la présence d’électrons : les noyaux qui interagissent entre eux ont chacun une charge électrique positive du fait des protons qu’ils contiennent et ils ont ainsi tendance à se repousser les uns les autres, ce qui réduit la probabilité qu’ils se rencontrent. Les électrons de charge négative peuvent alors agir comme un écran à cette répulsion dite « coulombienne » et ainsi favoriser au contraire les réactions entre ces noyaux (la « combustion »).

L’effet d’écran peut également changer la durée de vie des noyaux radioactifs. C’est ce que nous avons choisi d’étudier avec des noyaux de 19Ne implantés dans deux matériaux, l’un métallique et donc contenant un très grand nombre d’électrons libres et l’autre  isolant donc comptant beaucoup moins d’électrons. Une première expérience (E578S) a été réalisée et  les résultats ont été publiés en 2013 et dans la thèse de P. Ujic (soutenue en 2011). , Une seconde expérience (E658S) a été réalisée en novembre2013 dont l’analyse est en cours dans 4 laboratoires différents (LPC Caen, Serbie, Roumanie et GANIL). Pour mesurer l’effet de l’écrantage des électrons sur la durée de vie du néon-19, nous devons la mesurer avec une précision record, meilleure que celle atteinte jusqu’ici. Pour cela, nous avons utilisé plusieurs techniques, dont l’acquisition digitale FASTER développée au LPC Caen.

 

Collaboration :

GANIL, Institute of Nuclear Physics Science Vinca Belgrade, IPN Orsay, CSNSM Orsay, LPC Caen, IFIN-HH Bucharest Roumanie, ASCR-Rez République Tchèque.

Article

P Ujić et al.  Physical Review Letters 110, 032501 (2013):  “Search for superscreening effects in a superconductor”

 

Composition du groupe d'Astrophysique nucléaire du GANIL :

B. Bastin, CR1 CNRS

F. Boulay, étudiant en thèse

P. Delahaye, CR1 CNRS

F. de Oliveira Santos, CR1 CNRS  

G. Randisi, chercheur post-doctorant, financement NAVI

O. Sorlin, DR2 CNRS

Contact : oliveira à l’adresse @ganil.fr

 


 

La structure des noyaux atomiques

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Chaque avancée dans l’exploration des limites de cohésion a révélé des structures imprévues : des noyaux entourés d’un halo de neutrons ou de protons, des noyaux en forme de molécules ou même de polymères et des nouveaux noyaux « magiques ».

Découverts en 1949, les nombres magiques correspondent à un surcroît de stabilité observé pour certains nombres de protons ou de neutrons. Ils révèlent la présence de couches sur lesquelles les protons et les neutrons s’ordonnent. Leur remise en cause ébranle nos modèles nucléaires.

 

La matière chaude et dense

Les noyaux sont formés d’une matière extrêmement dense. Plus de 99,9% de la masse visible est concentrée dans le cœur de l’atome : «le noyau», dont les dimensions sont inférieures au centième de milliardième de millimètre !

Liquide, la matière nucléaire devrait entrer en ébullition vers 100 000 000 000 degrés, la température qui règne au cœur des plus grosses étoiles lors de leur explosion en supernova. De nombreuses expériences ont été consacrées à l’étude des propriétés mécaniques et thermiques de la matière nucléaire.

 

La matière à l'état solide : les recherches interdisciplinaires

Les ions du GANIL sont aussi utilisés par la communauté collaborant avec le CIRIL.
Les faisceaux d’ions du GANIL agissent dans ce cas comme élément perturbateur pour comprendre la matière.

Domaines où le GANIL est un outil de pointe :

  • Les atomes
  • les molécules et petits agrégats
  • le passage des ions dans les solides et l’émission d’électrons ainsi induite
  • les nano-structurations pour les nano- technologies
  • les effets des irradiations sur la matière et la vie
  • les applications aux matériaux du nucléaire et aux nouvelles thérapies
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