COrrelations à COurte porTee et spin IsotopiquE à R3B – COCOTIER

Pour étudier ces corrélations, nous allons utiliser le mécanisme de diffusion quasi libre en cinématique inverse, c’est-à-dire en envoyant le faisceau d’ions exotiques sur une cible de protons et en détectant tous les produits de réaction. Cela permet de compter le nombre de paires nucléon-nucléon émises, et de remonter aux impulsions des nucléons dans la paire. Pour cela, une cible d’Hydrogène liquide a été construite à l’IRFU et sera couplée au système de détection de R3B. Ce système combine un trajectographe (Silicon tracker), le calorimètre CALIFA, le détecteur de neutrons NeuLAND, et le spectromètre GLAD de grande acceptance avec sa détection associée qui permet qui permet de mesurer le fragment résiduel et les particules chargées émises aux angles proches du faisceau.

La construction de la cible LH2 est terminée. Dans la même thématique, nous avons participé à la première mesure des correlations de courte portée dans les noyau 12C en cinématique inverse à Dubna, et nous contribuons maintenant à l'analyse des données.

La cible hydrogène sera envoyée en octobre 2019 au GSI, pour une validation avec faisceau en novembre-décembre 2019 et utilisée en 2020 pour les premières expériences de physique. La première mesure des corrélations à courte portée dans les noyaux exotiques sera effectuée à partir de 2022.

Un article sur le dispositif et le programme R3B est en cours de préparation par la collaboration. Plusieurs publications sur les revues internationales détailleront les résultats d’expériences.

Comprendre l’émergence de l’interaction nucléaire à partir des constituants fondamentaux de la matière est un des défis de la physique contemporaine. Il est établi empiriquement que l’interaction nucléon-nucléon (NN) a une partie attractive à portée intermédiaire (distance NN entre 1 et 1.5 fm) et une partie répulsive à courte portée (distance NN inférieures à 1 fm) assez méconnue.
La présence de nucléons à haut moment (k>kF, avec kF~250 MeV/c) et l’émission d’un paire de nucléons à 180° ont été observées par diffusion quasi-élastique induite par électrons et protons de haut moment cinétique. Ceci est interprété en termes de corrélations de courte portée (Short-Range Correlations, SRC).
Les SRC, i.e. la combinaison de l’attraction à portée intermédiaire et de la répulsion à courte portée du potentiel NN, sont à l’origine de l’appariement des nucléons dans une configuration spatiale compacte (1-1.5 fm) avec une impulsion relative élevée. Pour cette raison, les SRC nous permettent de sonder en laboratoire la région à courte porté de l’interaction nucléaire. Celle ci joue un rôle clef dans les calculs de la matière nucléaire à haute densité et à haut moment, comme les étoiles à neutrons.
Les nucléons (protons et neutrons) sont considérés le degré de liberté pertinent pour décrire les propriétés du noyau. Néanmoins, certaines observations ne sont pas en accord avec cette hypothèse comme l’effet dit « European Muon Collaboration » (EMC). Ceci montre que la structure en partons des nucléons est modifiée par le milieu nucléaire. La corrélation avec les SRC montre que cette modification concerne essentiellement les nucléons qui se trouvent dans un régime de SRC.
Environ 20% des nucléons sont concernés par les corrélations de courte portée. Parmi eux, 80% sont appariés dans des paires proton-neutron (isospin T=0). La prédominance des paires à isospin T=0 est due au fait que pour des distances relatives de ~1-1.5 fm l’interaction est dominée par le terme tenseur qui est actif principalement dans la voie T=0 et implique que l’espèce minoritaire (protons pour les noyaux stable de masse A>20) a une impulsion et une énergie cinétique moyenne supérieure à l’espèce majoritaire. Le contenu en isospin des corrélations de courte portée a été déterminé seulement pour des valeurs de l’asymétrie neutrons-protons (N/Z) proche de 1 (N/Z~1-1.5). Les données existantes sont intégrées sur des fenêtres d’impulsion large à cause de la statistique limitée.
L’étude de la dépendance en N/Z et en moment du contenu en isospin des SRC permettra de tester notre compréhension des SRC. Notre description des SRC comme des paires de nucléons localisés à courte distance et haut moment relatif est elle correcte ? Quelle est le rôle des différents termes de l’interaction nucléaire (centrale, tenseur) en fonction du moment relatif (et donc de la distance relative) ? Nucléons et mésons sont-ils les degrés de liberté pertinents pour décrire la structure du noyau quand celle ci est sondée à haut moment ?
L’objectif du projet COCOTIER est de contourner ces deux limitations avec une mesure à haute luminosité en cinématique inverse avec des faisceaux radioactifs. L’étude de l’évolution des corrélations de courte portée dans la chaine isotopique des oxygènes (14O-24O) sera le sujet de la première expérience de COCOTIER.
La méthode proposée est basée sur les réactions de diffusion quasi-libre. En cinématique inverse, ceci demande d’utiliser une cible de protons, qui pour des raisons de luminosité est une cible d’hydrogène liquide. Cette cible, de l’épaisseur de 20 cm (correspondant à 1.5 g.cm-2 d’hydrogène) sera développée à l’IRFU et couplée au système de détection R3B auprès de l’accélérateur d’ions lourd de GSI en Allemagne. La combinaison des faisceaux de GSI, du système de détection R3B, et de la cible d’hydrogène liquide de l’IRFU sera un atout unique pour COCOTIER.