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Défi de tous les savoirs (DS10)
Edition 2014


EXPAND


Explorations autour de la dripline neutron

EXPAND: Explorations autour de la dripline neutron

Un des thèmes principaux de la physique nucléaire moderne est l'exploration de la structure des noyaux dits « exotiques » c'est-à-dire loin de la vallée de stabilité. En particulier les noyaux légers (A <40) autour de la limite d'existence neutron (drip-line neutron) fournissent non seulement un terrain idéal pour le test de nombreux modèles théoriques de la structure nucléaire, mais présentent également un certain nombre de phénomènes uniques tels que les halos de neutrons.

Structure autour de la dripline neutron: études du continuum.

Les objectifs physiques de ce projet sont l'étude de la structure et des corrélations intrinsèques des noyaux légers riches en neutrons autour et au-delà de la drip-line neutron, et la recherche de phénomènes exotiques, comme des structures résonantes dans les systèmes de plusieurs neutrons (comme le tétraneutron 4n), en utilisant les possibilités uniques offertes par le RIBF («Radioactive Ion Beam Factory«) à RIKEN (Saitama, Japon).

Plus explicitement, la forte intensité des faisceaux primaires (comme le 48Ca) couplée au séparateur de fragment BigRIPS permet la production des faisceaux secondaires de noyaux légers riches en neutron les plus intenses au monde, généralement trois ou quatre ordres de grandeur plus intenses que pour toute autre installation. Par ailleurs, dans de nombreux cas, le RIBF est la seule installation capable de produire ces faisceaux à des énergies (~250 MeV/nucléon) parfaitement adaptées, à la fois expérimentalement et théoriquement, pour les réactions d'intérêt : « knockout » de nucléons, cassure, et diffusion inélastique.

Détection de neutrons de très haute énergie - Spectroscopie de masse invariante

Les expériences proposées pour ces études procéderont à des mesures de cinématique complète impliquant la détection de tous les produits de la réaction venant du projectile: fragments chargés et neutrons. Cette détection sera effectuée à l'aide du dipôle supraconducteur SAMURAI et des détecteurs associés.Le projet EXPAND est axée sur la détection des neutrons et vise à fournir un multi-détecteur de neutrons permettant d’exploiter pleinement les opportunités uniques offertes par les faisceaux délivrés par le RIBF.

Plus précisément, il est prévu de mettre à niveau le détecteur de neutrons existant NEBULA en doublant le nombre de murs de scintillateurs et en augmentant de 30% leur épaisseur («NEBULA-Plus«) afin de permettre la détection simultanée de 3 ou 4 neutrons. De plus, cela augmentera fortement les efficacités de détection d'un et deux neutrons. Ainsi, durant ce projet, la structure et les corrélations entre neutrons du seul noyau doublement magique encore inexploré (28O) seront étudiées pour la première fois, ainsi que les noyaux plus lourds – potentiellement noyaux à halo de deux neutrons – que sont les 29,31F et les systèmes non liés associés 28,30F. En parallèle, la recherche de corrélations multi-neutrons sous forme de résonances dans le système 4n sera poursuivie notamment par l'étude de la dissociation de l'7H.

Résultats

Lors des derniers 12 moins du projet plusieurs résultats importants ont été obtenus :

• Les deux simulations complètes et réalistes du dispositif SAMURAI+NEBULA ont été ettendues d’inclure le « démonstrateur » de NeuLAND.

• Les procédures et algorithmes pour éliminer la diaphonie ont été ettendues (et validés) d’inclure le démonstrateur de NeuLAND.

• Les données du « commissioning » du démonstrateur de NeuLAND ont été analysées et son performance verifié.

• L’expérience à rechercher le premier niveau 2+ dans le 22C a été effectuée.

• Découvert du 24N et évidence pour l’existence du 25N

Perspectives

• Finalisation du design de NEBULA-Plus

• Tests de prototypes de modules des différents fournisseurs.

• Installation et mise en service (« commissioning ») de NEBULA-Plus au RIBF-RIKEN.

Productions scientifiques et brevets

“Nucleus 26O: A Barely Unbound System Beyong the Dripline”
Y Kondo et al.,
Phys. Rev. Lett 116 (2016) 102503

“Interaction Cross Section Study of the Two-Neutron Halo Nucleus 22C”
Y Togano et al.,
Phys. Lett B761 (2016) 412

“Single-Neutron Knockout from 20C and the Structure of 19C”
J Hwang et al.,
Phys. Lett. B769 (2017) 503

“Progress Report on NEBULA-Plus”
NA Orr
SAMURAI International Workshop, Wako shi, Fukuoka, Japan, 7-8 Sept 2015

“Structure in the Region of N=16 and the Status of the NEBULA-Plus Upgrade”
NA Orr
SAMURAI International Workshop, University of Kyushu, Fukuoka, Japan, 5-6 Sept 2016

“Formation and Detection of Neutron Clusters”
FM Marqués
ECT* Workshop – Physics Beyond the Neutron Dripline: Exploring the Continuum
17 - 21 Oct 2016

“Experimental Constraints on the Formation and Detection on Neutron Clusters”
FM Marqués
ESNT Workshop – Dynamics of Highly Unstable Exotic Light Nuclei and Few-Body Systems
30 Jan - 3 Feb 2017

“Neutral Nuclei: Probes and Persepctives”
FM Marqués
ECT* Workshop – Walk on the Neutron-Rich Side
10 - 13 April 2017

Partenaires

LPC-Caen CNRS/IN2P3 - Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen

CEA/IRFU Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives

Tokyo Tech Dept of Physics, Tokyo Institute of Technology

IPN-Orsay Institut de Physique Nucléaire d'Orsay

RIKEN RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science

Aide de l'ANR 729 997 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2015 - 48 mois

Résumé de soumission

Un des thèmes principaux de la physique nucléaire moderne est l'exploration de la structure des noyaux dits « exotiques » c'est-à-dire loin de la vallée de stabilité. En particulier les noyaux légers (A <40) autour de la limite d'existence neutron (drip-line neutron) fournissent non seulement un terrain idéal pour le test de nombreux modèles théoriques de la structure nucléaire, mais présentent également un certain nombre de phénomènes uniques tels que les halos de neutrons. Expérimentalement il est devenu possible ces dernières années d'accéder aux systèmes non liés légers situés au-delà de la drip-line neutron et ainsi de sonder l'évolution de la structure dans le continuum.

Les objectifs physiques de ce projet sont l'étude de la structure et des corrélations intrinsèques des noyaux légers riches en neutrons autour et au-delà de la drip-line neutron, et la recherche de phénomènes exotiques, comme des structures résonantes dans les systèmes de plusieurs neutrons (comme le tétraneutron), en utilisant les possibilités uniques offertes par les accélérateurs du RIBF. Le RIBF, récemment construit à RIKEN (Japon), est pour cela extrêmement compétitif : la forte intensité des faisceaux primaires (comme le 48Ca) couplée au séparateur de fragment BigRIPS permet la production des faisceaux secondaires de noyaux légers riches en neutron les plus intenses au monde, généralement trois ou quatre ordres de grandeur plus intenses que pour toute autre installation. Par ailleurs, dans de nombreux cas, le RIBF est la seule installation capable de produire ces faisceaux à des énergies (~250 MeV/nucléon) parfaitement adaptées, à la fois expérimentalement et théoriquement, pour les réactions d'intérêt : « knockout » de nucléons, cassure, et diffusion inélastique.

Les expériences proposées pour ces études procéderont à des mesures de cinématique complète impliquant la détection de tous les produits de la réaction venant du projectile: fragments chargés et neutrons. Cette détection sera effectuée à l'aide du dipôle supraconducteur SAMURAI et des détecteurs associés. La présente proposition est axée sur la détection des neutrons et vise à fournir un multi-détecteur de neutrons permettant d’exploiter pleinement les opportunités uniques offertes par les faisceaux délivrés par le RIBF. Plus précisément, il est prévu de mettre à niveau le détecteur de neutrons existant NEBULA en doublant le nombre de murs de scintillateurs et en augmentant de 30% leur épaisseur ("NEBULA-Plus") afin de permettre la détection simultanée de 3 ou 4 neutrons. De plus, cela augmentera fortement les efficacités de détection d'un et deux neutrons. Ainsi, durant les 4 années de ce projet, la structure et les corrélations entre neutrons du seul noyau doublement magique encore inexploré (28O) seront étudiées pour la première fois, ainsi que les noyaux plus lourds – potentiellement noyaux à halo de deux neutrons – que sont les 29,31F et les systèmes non liés associés 28,30F. En parallèle, la recherche de corrélations multi-neutrons sous forme de résonances dans le système 4n sera poursuivie notamment par l'étude de l'7H et la dissociation de l'8He en 4He + 4 neutrons. Ces axes de recherche se prolongeront bien au-delà de la période de subvention par une extension de ces études aux systèmes plus lourds. Nous estimons que le projet EXPAND permettra une recherche de pointe pendant au moins 15 ans.

En résumé, le projet EXPAND permettra de coupler la plus forte intensité de faisceaux de noyaux légers radioactifs à la drip-line neutron à une capacité unique de détection multi-neutron, permettant ainsi l'exploration de la structure nucléaire des systèmes les plus riches en neutrons. Ce projet nous positionnera comme les leaders du domaine durant au moins la prochaine décennie et fournira une base essentielle, à la fois technique et scientifique, à l’extension de ces études à la future installation européenne de 3ème génération EURISOL.

 

Programme ANR : Défi de tous les savoirs (DS10) 2014

Référence projet : ANR-14-CE33-0022

Coordinateur du projet :
Monsieur Nigel ORR (CNRS/IN2P3 - Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.