La reproduction des impulsions et des résolutions expérimentales

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Approche expérimentale
Il existe diﬀérents mécanismes de réactions qui peuvent être utilisés pour produire des systèmes proches de la drip-line neutron. Dans le cas des systèmes étudiés dans ce document, les durées de vie sont trop courtes (∼ 10−21 s) pour que les noyaux d’intérêt soient observés directement. Il est donc essentiel de reconstruire leur propriétés à travers les produits de la décroissance.
Réactions pour sonder les systèmes non liés Le choix du type de réaction utilisé pour étudier un noyau dépend du type d’obser-vable que l’on souhaite explorer mais aussi d’autres facteurs plus techniques que phy-siques. En particulier l’énergie et l’intensité du faisceau utilisé, la section eﬃcace du processus de réaction et diverses caractéristiques du dispositif expérimental. En eﬀet, au terme d’une expérience, nous voulons obtenir des informations physiques significatives et pour cela, nous avons besoin de produire un nombre d’événements suﬃsant pour nos observables. Celui-ci peut être écrit de la manière suivante :
Ndet = Nincρxσε, (1.8)
où Ndet correspond au taux de comptage des produits de la réaction considérée, Ninc au nombre de particules incidentes défini par l’intensité du faisceau, ρx correspond à l’épaisseur de la cible en fonction de sa densité (soit le nombre de centres diﬀuseurs qu’elle contient), σ est la section eﬃcace de réaction (c’est à dire la probabilité que l’isotope incident interagisse dans la cible) et ε est l’eﬃcacité totale du système de détection utilisé.
Comme il est particulièrement diﬃcile de produire des faisceaux de noyaux très riches en neutron, les intensités des noyaux incidents sont relativement limitées (typiquement inférieures à 105 pps contre 1012 pps pour des noyaux stables). Il est donc nécessaire que les autres facteurs de l’équation 1.8 soient le plus grands possibles pour obtenir un nombre d’événement suﬃsant. La section eﬃcace du processus de réaction est donc l’un des critères déterminants dans le choix de la réaction à utiliser cependant d’autres facteurs peuvent entrer en compte. Le paragraphe suivant sera donc consacré à la présentation de diﬀérents types de réaction et à leur propriétés propres.
Afin de produire des systèmes non liés, il est possible d’utiliser le processus de transfert de nucléons à partir de faisceaux stables ou radioactifs. Dans ces réactions, un ou plusieurs nucléons sont échangés entre le projectile et la cible pour produire le système désiré. Afin de maximiser la probabilité de telles réactions (et atteindre des sections eﬃcaces de l’ordre de σ ∼ 1 − 100 µb), les faisceaux utilisés possèdent généralement une énergie dans une gamme allant de quelques MeV/nucléon à environ 10 MeV/nucléon. L’énergie d’excitation du système formé et les distributions angulaires des produits sont dans ce cas les observables privilégiées, pouvant fournir des informations sur les niveaux d’énergie peuplés ainsi que sur leur moment angulaire.
Approche expérimentale
Un autre processus utilisable afin de produire des systèmes non liés est la cassure de noyaux, qui a lieu à des énergies élevées. Dans ce cas, un ou plusieurs nucléons sont arrachés très rapidement au noyau incident et le reste du projectile continue avec une énergie proche de celle du faisceau. Ces processus ont une section eﬃcace élevée par rapport aux réactions de transfert (σ ∼ 1 − 100 mb), et l’énergie plus haute du faisceau permet d’utiliser des cibles plus épaisses afin de compenser les faisceaux de faible intensité. De plus dans le cas des réactions en cinématique inverse (c’est à dire si le projectile est plus lourd que la cible), les produits de réactions sont fortement focalisés vers l’avant ce qui permet, avec un dispositif expérimental adapté, de grandement améliorer l’eﬃcacité géométrique de détection. Dans le cadre des études de systèmes riches en neutrons, il est possible de subdiviser ces réactions selon le type de nucléons arrachés :
• la réaction de perte d’un neutron à partir d’un noyau à halo de deux neutrons. Ces réactions peuvent être utilisées pour sonder les sous systèmes non liés fragment+n de certains noyaux à halo de deux neutrons. C’est une partie du travail de la thèse de Sylvain Leblond [28], qui a étudié le 18B ainsi que le 21C lors de la campagne Samurai-DayOne. Dans ce genre de réactions, la configuration du neutron dans le système fragment-neutron peuplé reflète celle des deux neutrons de valence du noyau à halo de deux neutrons.
• la réaction de perte d’un ou plusieurs protons fortement liés à partir d’un projectile riche en neutrons. Lors de ces dernières, si le processus se passe à une échelle de temps très courte par rapport à celle du mouvement des nucléons à l’intérieur du noyau, on peut considérer que la configuration des neutrons n’est pas perturbée (δln = 0). Cela nous permet d’avoir une sélectivité dans le peuplement des états non liés du système fragment-neutron que nous allons former selon le projectile utilisé. Dans le reste du document, de telles réactions seront mentionnées sous le nom de knockout d’un ou plusieurs protons.
• les réactions de fragmentation du projectile. Dans ce cas, plusieurs nucléons sont arrachés en même temps, ou des neutrons sont émis par l’éjectile de façon séquen-tielle après le knockout des protons. Les mécanismes qui interviennent dans ce genre de réaction sont plus complexes et la configuration des neutrons dans le système final n’est pas nécessairement celle du projectile. De plus, la présence de plusieurs neutrons qui ne proviennent pas de la décroissance du noyau non lié étudié peut constituer une source de bruit de fond plus ou moins importante selon la réaction étudiée. Elles sont donc généralement plus diﬃciles à analyser que les réactions de knockout de protons mais elles leur sont complémentaires car elles permettent de peupler les systèmes non liés étudiés dans des configurations diﬀérentes.
Dans les résultats présentés dans ce document, deux de ces réactions ont été utilisées : le knockout de protons et la fragmentation. Nous verrons dans le chapitre 5 que ces deux méthodes sont bien complémentaires et nous permettent de tirer des informations diﬀérentes sur la structures de noyaux non liés.
Spectroscopie par masse invariante
Comme nous l’avons déjà évoqué plusieurs fois dans ce chapitre, il n’est pas possible d’eﬀectuer une mesure directe de l’énergie des états non liés qui font l’objet d’étude
Introduction
de ce document car leur temps de vie est extrêmement court. Il est donc nécessaire de la reconstruire à partir des produits de leur décroissance en vol. Lors de la campagne Samurai-DayOne, la méthode que nous avons utilisé est appelée spectroscopie par masse invariante. Cette dernière est basée sur la mesure de la cinématique complète de la réaction, c’est à dire, sur la détection et la caractérisation de tous les produits de la décroissance en vol. Dans le cas général, l’énergie totale d’un système relativiste peut s’écrire :
E2 =p 2c2 + m2c4, (1.9)
où E représente l’énergie totale du système, p son impulsion, m sa masse et c la célérité de la lumière. Afin de simplifier les formules, nous poserons pour la suite c = 1. À partir de cette relation, nous pouvons écrire la masse d’un système à partir du quadrivecteur
(E,p ) :
M 2 = (E,p )2 = E2 −p 2. (1.10)
On peut alors en déduire la masse Minv d’un système non lié composé de n particules comme :
v
Minv = n Ei!2 − n p i!2 , (1.11)
u i=1 =1
u X Xi
t
où Ei représente l’énergie totale associée à la particule i et pi son impulsion. Il est ensuite possible de reconstruire l’énergie relative Erel entre les particules à partir de la masse invariante Minv du système, en lui soustrayant la masse au repos mi de chacune des particules :
n
Xi (1.12)
Erel = Minv − mi
=1
Une façon de comprendre simplement la signification physique de cette grandeur est de se placer dans le cas d’un système à deux corps (typiquement un fragment et un neutron) et d’appliquer l’approximation classique. L’équation 1.12 devient alors :
Erel ≈ 1 µvrel2 = 1 µv( n −v f )2, (1.13)
2 2
où vrel est la vitesse relative entre la vitesse du fragment vf et celle du neutron vn et µ la masse réduite du système qui peut s’écrire à partir des masses individuelles du fragment
mf et du neutron mn :
µ = mnmf . (1.14)
mn + mf
L’énergie relative peut donc être vue comme une grandeur qui caractérise le mouve-ment relatif entre les particules en voie de sortie.

Table des matières

1 Introduction
1.1 Au delà de la stabilité
1.1.1 Propriétés générales des noyaux légers
1.1.2 Structure en physique nucléaire
1.1.3 Structure des noyaux non liés : Résonances dans le continuum
1.2 Motivations
1.2.1 Structure en couche au delà de la drip-line neutron
1.2.2 Le cas des isotopes d’Azote
1.3 Approche expérimentale
1.3.1 Réactions pour sonder les systèmes non liés
1.3.2 Spectroscopie par masse invariante
1.4 Systèmes et réactions étudiés
1.4.1 Le 23N
1.4.2 Le 24N et le 25N
2 Dispositif expérimental
2.1 La campagne Samurai-DayOne
2.2 La production des noyaux d’intérêt
2.2.1 Produire un faisceau radioactif à Riken
2.2.2 L’accélérateur du Riken : RIBF
2.2.3 Le séparateur de fragments : BigRips
2.3 Caractéristiques du faisceau
2.3.1 Énergie du faisceau
2.3.2 Charge des ions
2.3.3 Masse des ions
2.3.4 Trajectoire des ions
2.4 Détection des produits de la réaction
2.4.1 Détection des rayonnements gamma : DALI2
2.4.2 Le dipôle magnétique
2.4.3 Les chambres à dérive
2.4.4 L’Hodoscope
2.4.5 Détection des neutrons : NEBULA
2.5 Électronique et système d’acquisition
3 Analyse des données
3.1 Le faisceau
3.1.1 Alignement géométrique des chambres
3.1.2 Détermination du temps de vol et de la rigidité magnétique
3.1.3 Détermination de la perte d’énergie
3.1.4 Identification des particules incidentes
3.2 Les rayonnements gamma
3.2.1 L’étalonnage de DALI2
3.2.2 La correction Doppler
3.3 Les fragments
3.3.1 L’étalonnage des chambres à dérive
3.3.2 L’étalonnage de l’Hodoscope
3.3.3 Détermination de la rigidité magnétique
3.3.4 Identification des noyaux sortants
3.4 Les neutrons
3.4.1 Détermination des positions verticales
3.4.2 Calibration en temps de vol
3.4.3 Étalonnage en énergie
3.4.4 Diaphonie
3.5 Énergie relative fragment-neutron
3.5.1 L’alignement fragments-neutrons
3.5.2 Les événements non résonants
4 Simulations numériques
4.1 Trajectoire des fragments chargés
4.2 Simulation de la détection des γ
4.3 La décroissance fragment-neutron(s)
4.3.1 Le générateur d’événements
4.3.2 La reproduction des impulsions et des résolutions expérimentales
4.3.3 Gestion des neutrons dans la simulation
4.3.4 Simulation de la diaphonie
4.3.5 Utilisation des données simulées dans l’analyse
4.4 Conclusion
5 Résultats
5.1 Spectroscopie gamma des derniers isotopes d’Azote liés
5.1.1 Spectroscopie gamma de l’Azote 22
5.1.2 Recherche d’états excités liés pour le 23N
5.2 Etude des états non liés de l’Azote 23
5.2.1 Réaction de knockout d’un proton
5.2.2 Réactions de fragmentation
5.2.3 Diffusion inélastique de l’Azote 23
5.2.4 Conclusions sur le 23N
5.3 Recherche de l’Azote 24
5.3.1 Étude parallèle des différents spectres en énergie relative (23N+n)
5.3.2 Cas du faisceau de 27F : une trace du 25N?
5.4 Un pas plus loin de la stabilité : l’Azote 25
6 Conclusion et perspectives
Bibliographie