Section 01 Interactions, particules, noyaux, du laboratoire au cosmos

I. Structure et dynamique nucléaire

La physique nucléaire de basse énergie s'intéresse à l'étude de la structure des noyaux atomiques en termes de nucléons, neutrons et protons, et à leur transformation par radioactivité ou réactions nucléaires.

Jusqu'aux années quatre-vingt la structure des noyaux stables à basse énergie a été largement étudiée et comprise. L'avènement de nouveaux équipements, accélérateurs et détecteurs, a permis depuis d'étendre les frontières de nos connaissances vers les noyaux dans des états extrêmes d'isospin, de spin, de température, de compression et de masse. Les chercheurs français ont joué un rôle majeur, tant du point de vue expérimental que théorique.

L'étude des noyaux légers très riches en neutrons permet d'atteindre les limites de la cohésion nucléaire (drip-line) et même d'aller au-delà pour explorer des résonances non liées. Les qualités uniques au monde des faisceaux de 6He et de 8He de SPIRAL ont permis leur étude détaillée ainsi que la mesure de la spectroscopie des noyaux non liés 7H, 7He et 9He. L'influence de la très faible énergie de séparation des neutrons de 6He et 8He sur les mécanismes de réaction a été étudiée en détail. Les équipes françaises ont récemment initié des programmes auprès du RIKEN au Japon, qui permettront de suivre la drip-line neutron au-delà des noyaux de Mg.

L'étude des noyaux légers jusqu'au carbone, au niveau de la structure mais aussi des réactions nucléaires, est aussi l'objet d'une intense activité théorique dans le cadre de calculs ab-initio, c'est-à-dire de calculs basés sur des potentiels nucléon-nucléon élémentaires. La mise en œuvre de ces calculs est l'occasion d'un rapprochement particulièrement fructueux entre théoriciens en structure nucléaire et en physique hadronique.

Il est maintenant bien établi que les nombres magiques, paradigme de la structure nucléaire, ne sont plus universels quand on s'éloigne de la stabilité. On peut citer en particulier l'îlot de l'inversion, situé autour de N=20, remplacé comme nombre magique par N=16 loin de la stabilité, ou la disparition de la magicité de N=28 pour les noyaux très riches en neutrons. Les réactions de transfert d'un nucléon permettent les études les plus précises des niveaux d'énergie de particules dans les noyaux et ont été largement explorées ces dernières années auprès du GANIL avec le détecteur de rayons gamma EXOGAM et les détecteurs de particules chargées MUST/MUST2 et TIARA. L'évolution des nombres magiques 50 et 82 loin de la stabilité se poursuivra dans les années à venir, d'une part avec le détecteur gamma de nouvelle génération AGATA au GANIL, et d'autre part auprès d'ALTO et SPIRAL2. Ces études permettent de mieux comprendre l'abondance des éléments au-delà du Fe produits par le processus r lors d'événements stellaires violents.

Toutes ces études sont particulièrement riches d'enseignement pour comprendre d'un point de vue théorique la structure nucléaire, que ce soit dans le cadre des théories de champ moyen, et au-delà du champ moyen, ou dans celui du modèle en couches. En particulier, elles mettent en évidence le rôle des interactions de type tenseur ou l'importance des forces à trois corps. L'étude de ces dernières est aussi un sujet d'étude en physique hadronique dans le cadre de théories effectives bâties sur la Chromodynamique Quantique (QCD).

Les transformations radioactives ont été depuis toujours des clés de notre compréhension du noyau atomique. Une découverte majeure de ces dernières années a été celle de la radioactivité deux-protons, qui donne accès aux corrélations entre protons dans le noyau, et dont les caractéristiques ont pu être étudiées en détail dans les noyaux de 45Fe et 54Zn par la mise en service d'une chambre à projection temporelle spécialement dédiée à ces mesures. Des indications pour l'existence de la radioactivité deux-neutrons ont été récemment publiées et pourront être confirmées par des expériences auprès du GANIL dans un futur proche.

Les noyaux lourds constituent un laboratoire unique pour étudier la structure et la dynamique nucléaire sous l'influence de forces de Coulomb importantes. En effet, la stabilité des noyaux au-delà du noyau doublement magique 208Pb, décroît rapidement jusqu'à la région des noyaux dits transfermiens (Z>100). Au-delà, cette stabilité n'est due qu'à des effets quantiques. Cette tendance à la baisse de stabilité se renverse pour des noyaux déformés autour d'un nombre de protons Z=100 et de neutrons N=152 Les orbitales mises en jeu dans cette région déformée jouent alors un rôle crucial dans la prédiction du positionnement de l'ultime îlot de stabilité correspondant à la région des noyaux superlourds (Z=114, 116 ou 122), ce qui a entraîné un regain d'intérêt pour la spectroscopie de ces noyaux.

L'arrivée de dispositifs expérimentaux performants autour de la cible et des plans focaux des séparateurs de fragments de recul a permis d'étudier des noyaux jusqu'à présent très mal connus. La communauté française est fortement impliquée dans de nouveaux projets tels que le projet GABRIELA à Dubna (Russie), un des fiefs mondiaux de l'étude et la synthèse des noyaux superlourds et le projet JUROGAM II à Jyväskylä (Finlande) où l'étude spectroscopique du noyau le plus lourd jamais atteint, le noyau 256Rf (Z=104), a été réalisée récemment. Dans un futur proche, l'avènement du Super Séparateur Spectromètre S3 couplé aux faisceaux de très haute intensité délivrés par l'accélérateur linéaire LINAG du projet SPIRAL2 permettra de repousser à nouveau les frontières de l'exploration des noyaux superlourds.

Pour produire de tels éléments, l'étude des mécanismes de réaction conduisant à leur synthèse est nécessaire. Deux approches sont alors possibles :

– la synthèse des éléments superlourds est conditionnée par des sections efficaces de production extrêmement faibles. Il est donc crucial de comprendre les mécanismes de réactions mis en jeu, tels la fusion-fission ou la quasi-fission, qui empêchent la formation du noyau superlourd souhaité. Un important travail d'investigation de ces mécanismes a déjà été entrepris en mesurant de façon novatrice les distributions isotopiques des produits de fission auprès du spectromètre VAMOS en utilisant un faisceau de 238U en cinématique inverse. Il est nécessaire de continuer ce type d'investigation pour des systèmes identiques mais à basse énergie, là où les effets de couche ont toute leur importance. Un tel programme est amorcé auprès du dispositif SOFIA au GSI (Darmstadt, Allemagne). Une nouvelle installation, le projet LICORNE auprès d'ALTO à Orsay, permettra également la mesure de rayons gamma prompts issus de la fission induite par neutrons rapides pour les isotopes 235U et 238U. Ces résultats trouveront toute leur importance pour la physique des réacteurs.

– l'étude de la surface d'énergie potentielle au travers la détermination de la barrière de fission, par la mesure de la multiplicité et l'énergie totale des rayonnements gamma. Une expérience phare a été réalisée à ATLAS (Argonne, USA) auprès du séparateur de fragments de reculs FMA associé au multidétecteur gamma GAMMASPHERE qui a permis d'estimer une barrière de fission de 6,2 MeV pour le noyau 254No (Z=102). Des mesures systématiques de barrière de fission devront se généraliser et pourront notamment se réaliser dans un proche avenir au GANIL auprès du spectromètre VAMOS et auprès de l'infrastructure ALTO avec l'avènement d'un nouveau calorimètre de rayonnement gamma, le détecteur PARIS.

La synthèse des noyaux bien plus légers trouve toute son importance en astrophysique nucléaire pour comprendre la nucléosynthèse des éléments présents dans l'Univers. Le big-bang, les étoiles et l'interaction du rayonnement cosmique avec le milieu interstellaire sont les principaux sites de nucléosynthèse identifiés. Il est donc fondamental d'étudier les réactions nucléaires impliquées dans ces sites. Ainsi un programme conséquent de mesures de sections efficaces de réactions d'intérêt astrophysique (12C+12C, 12C+16O, 12C(α,γ)16O...) a été entrepris ces dernières années auprès d'ALTO ou au laboratoire ANL (Argonne, USA).

L'équation d'état de la matière nucléaire asymétrique est une donnée fondamentale, importante pour la compréhension de la structure des étoiles à neutrons. La composition isotopique des produits de collisions d'ions lourds induites par des faisceaux riches en neutrons donne des indications précieuses sur l'énergie de symétrie qui pourront être précisées lors de l'avènement du détecteur très ambitieux FAZIA. La résonance géante monopolaire renseigne sur l'incompressibilité de la matière nucléaire. Les premières mesures de cette résonance dans des noyaux instables (56Ni et 68Ni) ont été récemment réalisées au GANIL à l'aide de la cible active ACTAR.

Les études de structure nucléaire théoriques mentionnées précédemment sont ici indispensables pour contraindre l'équation d'état de la matière nucléaire dans les domaines en densité et asymétrie nucléaire inaccessibles à l'expérience.

Les mesures de haute précision de décroissances radioactives de type bêta sont parmi les tests les plus contraignants du modèle standard de la physique des particules, et sont complémentaires des études à haute énergie du LHC. Elles ont permis en particulier la détermination de l'élément Vud de la matrice CKM de mélange des quarks et la confirmation de son unitarité. La recherche d'interactions faibles de type scalaire ou tenseur, violant le modèle standard, passe par l'étude de corrélations électron-neutrino dont une des mesures les plus précises provient d'ions 6He produits par SPIRAL et confinés dans un original piège de Paul.

Une recherche de niveau mondial en physique nucléaire se fonde sur des accélérateurs et des détecteurs de haute technologie. L'accélérateur GANIL, accompagné de son installation de faisceaux radioactifs SPIRAL, TGE commun au CEA et au CNRS, a permis à la France d'être à la pointe dans ce domaine où la concurrence internationale est vive. Le projet SPIRAL2, actuellement en construction, qui fournira des faisceaux d'ions lourds stables (phase 1) et radioactifs (phase 2) d'intensité inégalée au monde, est parfaitement conçu pour permettre à la France de maintenir son rang, à condition qu'il soit réalisé complètement et dans les délais impartis. Durant la période de construction, les détecteurs originaux construits par les équipes françaises pourront être déplacés sur d'autres sites internationaux afin d'assurer la continuité de la production scientifique.