Cohésion du noyau et dé-excitation dans des conditions extrêmes de déformation et d’isospin

Parmi l'ensemble des réactions qui peuvent se produire lors de la collision de deux noyaux, la fission nucléaire (qui correspond à la « fragmentation » du système composé formé par les noyaux initiaux en deux entités distinctes) occupe une place toute particulière. La dé-convolution non-ambigüe des différents aspects entrant en jeu représente un défi majeur, du fait de la superposition d'effets statiques et dynamiques à décrire. La fission est donc un processus complexe, et, plus de 70 ans après sa découverte, aucune théorie capable de décrire ce mécanisme sur une large gamme en énergie, moment angulaire et masse du système n'existe. Au delà de l'intérêt fondamental, il est à souligner qu’une meilleure connaissance du processus est primordiale pour nombre d'applications industrielles, et en premier lieu le retraitement des déchets nucléaires.

Le phénomène de cassure d'un noyau en deux parties est sujet à grandes fluctuations, et peut donc se faire de maintes façons. Il conduit en général à  toute une distribution de couples de noyaux en terme de masse, énergie, direction, etc. Les ingrédients de première importance gouvernant cette cassure sont l'énergie potentielle du système, son inertie et la viscosité de la matière nucléaire. Alors que l'inertie peut être négligée dans une première approche, et que la viscosité a fait l'objet de nombreuses études, notre connaissance de l'influence de l'énergie potentielle demeure limitée. La surface d'énergie potentielle représente le « terrain » sur lequel se déplace le système formé par les noyaux de la collision. Sur ce terrain, sous l'effet de la température (énergie d'excitation) et de la rotation (moment angulaire) le noyau composé se déforme, et suivant les forces en présence (inertie, friction et gradient de la surface potentielle, comme dit plus haut), il peut aller jusqu’à se scinder en deux. (Semi-)empiriquement, l'énergie potentielle a été construite comme une somme incluant plusieurs termes: les contributions de volume, de surface, de courbure, de symétrie (toutes attractives), la répulsion Coulombienne (répulsive), etc. La variété de ces termes et leur paramétrisation dépendent fortement du modèle utilisé. Jusqu'ici la précision des modèles souffre d'un faible pouvoir prédictif, et il est hasardeux d’extrapoler les prédictions dans des régions « exotiques » de la carte des noyaux.

Avec l'avènement de faisceaux radioactifs lourds de grande intensité (et notamment SPIRAL2 à Ganil) la problématique des différents termes contribuant à l'énergie de liaison, soit à la cohésion, d'un noyau va pouvoir être visitée en détails. Grâce à des bombardements croisés, formant des noyaux composés similaires pour certaines de leurs caractéristiques et différents pour certains autres aspects, on pourra démêler l'intrication complexe des termes et paramètres entrant en jeu (énergie d'excitation, moment angulaire, masse du système et isospin). Les poids respectifs des différentes contributions (termes de courbure et de symétrie, notamment) pourront être mieux contraints. Les signatures expérimentales d'une telle étude impliquent la combinaison de plusieurs systèmes de détection. En particulier, les caractéristiques des particules légères chargées et des photons émis lors de la réaction sont de première importance pour le propos présent.

Le but de ce stage est d'étudier les configurations optimales pour contraindre le plus fortement possible les différentes contributions à l’énergie de cohésion nucléaire. Ceci afin d'éviter la possibilité d'assigner de manière incorrecte un effet à un autre. Définir les configurations optimales de cette étude sous-entend ⁽ⁱ⁾ une investigation théorique (calcul des noyaux les plus sensibles à un effet donné), ainsi que ⁽ⁱⁱ⁾ l'élaboration du dispositif expérimental le plus pertinent via des simulations. Les résultats de ce stage pourront être la base de propositions d'expériences auprès de SPIRAL2 impliquant de nouveaux détecteurs, comme le futur calorimètre à photons PARIS. Le stage de M1 pourra se poursuivre par un stage de M2 et/ou une thèse. Après la phase de simulations (théoriques et expérimentales), le travail s'inscrira dans un cadre plus expérimental avec l'arrivée de PARIS au Ganil pour une période de tests, et finalement l'arrivée des premiers faisceaux SPIRAL2. Le stagiaire/thésard sera intensément investi dans ces mesures pionnières.

Conduit par un groupe « d’expérimentateurs », le travail du stagiaire s’effectuera en collaboration étroite avec des théoriciens. Du fait de la portée de ses résultats pour le futur détecteur PARIS, le stagiaire sera immergé au sein d’une collaboration internationale.

Compétences souhaitées : connaissances en physique nucléaire, maîtrise des logiciels informatiques de programmation et de calculs de base, goût pour l’analyse, anglais