Première spectroscopie de ¹¹⁰ Zr avec MINOS

First spectroscopy of ¹¹⁰ Zr with MINOS

• Auteur / Autrice : Nancy Paul
• Direction : Alexandre Obertelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et réactions nucléaires
• Date : Soutenance le 12/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Denis Lacroix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Obertelli, Denis Lacroix, Navin Alahari, Gerda Neyens, Stéphane Grévy, Elias Khan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Navin Alahari, Gerda Neyens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réactions directes (physique nucléaire)

Noyaux exotiques

Spectrométrie gamma

Physique nucléaire

Mots clés libres

Physique nucléaire

Spectroscopie gamma

Noyaux exotiques

Réactions nucléaires

Nuclear physics

Gamma spectrocopy

Exotic nuclei

Nuclear reactions

Résumé

Une fermeture de sous-couche à N=70 dans le ¹¹⁰Zr a longtemps été considérée comme une explication possible du désaccord entre la théorie et les abondances observées des éléments lourds près de la masse 130 résultant du processus de capture rapide des neutrons (processus r). Le processus r n’est pas bien compris en partie à cause des incertitudes relatives aux mécanismes d'évolution de la structure en couches des noyaux riches en neutrons. La fermeture de sous-couche dans le ¹¹⁰Zr, bien qu’improbable, pourrait résulter d’une symétrie tétraédrique ou sphérique. Ces symétries laissent des indications distinctes sur la structure des niveaux de basse énergie et leur effet peut donc être détecté par une simple mesure de spectroscopie. Le système MINOS a été employé à l'installation de faisceaux d'isotopes radioactifs (RIBF) de RIKEN au Japon pour effectuer la première spectroscopie du ¹¹⁰Zr. MINOS, développé au CEA-IRFU, combine une cible de protons épaisse avec un dispositif de reconstruction de vertex de réaction pour permettre une spectroscopie à haute résolution des noyaux rares. Les états de basse énergie dans le ¹¹⁰Zr ont été peuplés par arrachage des protons de la cible MINOS, et les rayons gamma de désexcitation ont été détectés avec l'ensemble de scintillateurs DALI2. Les résultats sont compatibles avec un noyau bien déformé. Aucune preuve n’est obtenue pour une fermeture de sous-couche à N = 70 ni en faveur de la symétrie tétraédrique. Une étude complémentaire explore les sections efficaces inclusives pour les réactions (p,2p) et (p,pn) avec les noyaux riches en neutrons. Environ 60 sections efficaces inclusives ont été mesuré pour l’arrachage d'un nucléon sur la cible MINOS. La systématique (p,2p) montre une augmentation de la section efficace pour les noyaux fils de Z impair, ce qui révèle l'importance des corrélations d'appariement. Les sections (p,pn) sont plus grandes que les sections efficaces (p,2p), d'environ un facteur 10, distribuées aléatoirement autour de 60 mb. La comparaison avec les modèles semi-classiques suggère que ces deux systématiques peuvent être expliquées par le rôle important des corrélations d'appariement dans les systématiques de réactions directes induites par les noyaux exotiques. Enfin, des simulations électrostatiques ont été menés pour optimiser la cage de champ électrique de la chambre de projection temporelle MINOS, en vue d'une future application pour un nouveau programme de physique au CERN appelé PUMA.

A predicted N=70 subshell closure in ¹¹⁰Zr has long been considered a potential explanation for the disagreement between theory and observed abundances of the heavy elements near mass 130 resulting from the rapid neutron capture process (r-process). The r-process is not well understood, due in part to the uncertainties of the neutron-rich structure evolution mechanisms. A subshell closure in ¹¹⁰Zr, though unlikely, could result from either a tetrahedral or spherical symmetry. Each of these symmetries leaves distinct fingerprints on the low lying level structure, and thus can be discerned with a simple spectroscopy measurement. The MINOS system has been used at the Radioactive Isotope Beam Factory of RIKEN in Japan to perform the first spectroscopy of ¹¹⁰Zr. MINOS, developed at CEA-IRFU, combines a thick proton target with a vertex tracker to allow high resolution spectroscopy of rare nuclei. Low lying states in ¹¹⁰Zr were populated via proton removal on the MI- NOS target, and deexcitation gamma rays detected with the DALI2 scintillator array. Results are consistent with a well deformed nucleus. No evidence is found for a subshell closure at N=70 nor tetrahedral symmetry. A complementary study explores inclusive cross sections for (p,2p) and (p,pn) reactions with neutron rich nuclei. Approximately 60 inclusive cross sections have been measured for single nucleon removal on the MINOS target. The (p,2p) systematics reveal an enhanced cross section to odd-Z daughter nuclei, pointing to the importance of pairing correlations. The (p,pn) cross sections are approximately a factor of 10 larger than the (p,2p) cross sections, randomly distributed around 60 mb. Comparison with semi-classical models suggest that both these systematics can be explained by the important role of pairing correlations in direct reaction systematics for exotic nuclei. Finally, the electric field cage of the MINOS time projection chamber is optimized with electrostatic simulations in view of a future application as a pion tracker for antiproton-nucleus collisions in a new physics program at CERN called PUMA.