Clustering dans les noyaux légers : une approche multi-méthodique

par Daniele Dell'aquila

Thèse de doctorat en Structure et réactions nucléaires

Sous la direction de Giuseppe Verde et de Mariano Vigilante.


  • Résumé

    Les phénomènes de clustering caractérisent plusieurs domaines des sciences naturelles et de la sociologie. Ils consistent en l'auto-organisation de groupes d'objets en sous-groupes corrélés, en introduisant des symétries et, dans certains cas, un certain degré d'ordre dans le système global. En physique nucléaire, ces aspects représentent l'un des effets les plus fascinants induits par le principe de Pauli dans les noyaux. Leur investigation est un outil extrêmement puissant pour comprendre le comportement des forces nucléaires dans les systèmes d’N corps avec interactions les unes les autres. Dans ce thèse, je discute des résultats d'une campagne expérimentale qui explore les aspects de clustering dans les systèmes nucléaires légers à partir d'une approche multi-méthodique et en utilisant des techniques différentes et complémentaires. Le travail commence avec le noyau 10Be, prévu pour être constitué par une structure de cluster moléculaire de deux particules alpha liées par les deux neutrons de valence supplémentaire. L'expérience a été réalisée avec des faisceaux de 10Be produits au laboratoire INFN-LNS avec la technique de fragmentation des projectiles FRIBs. À travers des techniques de corrélation particule-particule, des signaux d'un nouvel état appartenant possiblement à la bande de rotation moléculaire de 10Be ont été observés. Autres noyaux appartenants à la chaîne isotopique du carbone ont également été étudiés pour comprendre comment les phénomènes de clustering évoluent avec l'excès de neutrons. Pour 11C et 13C, nous avons utilisé les réactions nucléaires 10B(p,a) et 9Be(a,a), respectivement, à basse énergie. Ces mesures ont été conduites à l'accélérateur TANDEM de Naples. Les sections efficaces différentielles et les distributions angulaires, ainsi que autres données disponibles dans la littérature, ont été reproduites par des calculs R-matrix, ce qui nous a permis d'affiner la structure de ces noyaux et de suggérer l'existence d'états à cluster.Le noyau 16C a été étudié avec la même configuration expérimentale utilisée dans le cas du 10Be mais avec un faisceau secondaire très intense. J'ai observé des contributions non négligeables dans les voies de désintégration à deux et à trois corps pour le 16C, voies qui représentent des désintégrations extrêmement rares. Enfin, l'état de Hoyle dans 12C (7.654 MeV,0+) a été étudié avec une expérience de haute précision en utilisant la réaction 14N(d,a) à 10,5 MeV à INFN-LNS. L'étude a fourni un limite supérieure pour la voie de désintégration directe en trois alpha avec une précision sans précédent. Ce résultat, qui améliore d'un facteur 5 l'état actuel de la technique, fournit une contrainte importante aux modèles de structure théorique ainsi qu'aux calculs de nucléosynthèse stellaire responsables de l'origine des éléments dans l'univers. Les phénomènes de clustering ont également été étudiés dans les noyaux 19F et 20Ne avec la réaction 19F(p,a) à très basse énergie à l'accélérateur AN-2000 de l'INFN-LNL. Une analyse par R-matrix de la section efficace intégrée a été utilisée pour fournir des informations sur la structure du noyau composé 20Ne avec des implications astrophysiques sur le cycle CNO dans les étoiles. J'ai également étudié les collisions entre les ions lourds à des énergies intermédiaires pour explorer les phénomènes de clustering dans la matière nucléaire diluée et chaude. J'ai développé un modèle thermique des corrélations particules-particules pour décrire la population d'états non liés produits lors de l'évolution des collisions Ar+Ni violentes à 32-95 MeV par nucléon. Les limites d'une approche purement thermique dans un tel système dynamique ont été discutées, avec des idées possibles pour expliquer le mécanisme qui peuplent les états internes dans les noyaux 8Be en discutant l'interconnexion entre la thermodynamique et les effets d'interaction d’état final. Ces études sont importants pour décrire la formation de clusters dans la matière nucléaire.

  • Titre traduit

    Clustering in light nuclear systems : a multi-methodic approach


  • Résumé

    Clustering phenomena characterise several fields of natural sciences and sociology. They consist on the self-organisation of groups of objects in correlated sub-groups, introducing symmetries and, in some cases, a certain degree of order in the overall system. In nuclear physics, these aspects represent one of the most fascinating effects induced by the Pauli principle in nuclei. Their investigation is an extremely powerful tool to understand the behaviour of nuclear forces in N-body interacting systems. In this thesis, I discuss the results of an experimental campaign that explores clustering aspects in light nuclear systems from a multi-methodic approach and by using different and complementary techniques.The work start with the 10Be nucleus, predicted to be constituted by a molecular cluster structure of two alpha particles kept bound by the two extra valence neutrons. The experiment has been performed with 10Be beams produced at the INFN-LNS laboratory with the FRIBs projectile fragmentation technique. By means of particle-particle correlation techniques, signals of a new state possibly belonging to the 10Be molecular rotational band were observed. Other nuclei along the carbon isotopic chain were also investigated to understand how clustering phenomena evolve with neutron excess. For 11C and 13C we used 10B(p,alpha) and 9Be(alpha,alpha) nuclear reactions, respectively, at low energies. These measurements were made at the tandem accelerator in Naples. Measured Differential cross sections and angular distributions, together with other data available in the literature, were reproduced by R-matrix calculations, which allowed us to refine the spectroscopy of such nuclei and suggest the existence of cluster states, possibly members of molecular rotational bands. The 16C nucleus was investigated with the same setup used in the 10Be case with a very intense secondary beam. I have observed non vanishing yields in both two-body and three-body cluster disintegration channels for 16C which represent extremely rare decays. Finally, the Hoyle state in 12C (7.654 MeV, 0+) was investigated in a high-precision experiment by using the 14N(d,a) reaction at 10.5 MeV at INFN-LNS. The study has provided an upper limit to the direct three-alpha decay process of such state with an unprecedented precision. This result, which improves of a factor 5 the existing state of the art, provides important constraint to theoretical structure models as well as to stellar nucleosynthesis calculations aiming at revealing the origin of elements in the universe. Clustering phenomena have also been studied in 19F and 20Ne nuclei with the 19F(p,a) reaction at very low energies at the AN-2000 accelerator of the INFN-LNL. An R-matrix analysis of the integrated cross-section was used to provide information on the structure of the 20Ne compound nucleus with its astrophysical implications on the CNO cycle in stars.I have also used heavy ion collisions at intermediate energies to explore clustering phenomena in dilute and hot nuclear matter. I have developed a thermal model of particle-particle correlations whit the aim of describing the population of decaying unbound states produced during the evolution of violent Ar+Ni collisions at 32-95 MeV per nucleon. The limitations of a purely thermal approach in such a dynamical system have been discussed, with possible ideas to explain the mechanism which populate internal states in 8Be cluster states accounting for the interplay of thermodynamics with final state interaction effects. Such studies are relevant to model cluster formation in nuclear matter.


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