Etude de noyaux exotiques orientés avec POLAREX

par Rémy Thoer

Projet de thèse en Structure et réactions nucléaires

Sous la direction de Carole Gaulard et de Carole Gaulard.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie, Noyau, Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 30-09-2017 .


  • Résumé

    La clé pour comprendre l'interaction nucléaire repose sur l'étude des noyaux exotiques qui présentent des propriétés radicalement différentes de celles de leurs cousins conventionnels le long de la vallée de la stabilité. Pour compléter la tendance actuelle sur l'étude de la dynamique nucléaire par réaction avec des noyaux exotiques, il est nécessaire et indispensable de déterminer les propriétés de l'état fondamental : spin, demi-vie, masse et forme. Les propriétés des particules célibataires dans le noyau sont décisives pour de telles déterminations. Un des outils particulièrement puissant pour leur élucidation est la détection des noyaux exotiques dans des états de spin orienté. Pour atteindre cette physique, il faut donc un système expérimental très versatile et capable de polariser les noyaux. Parmi les nouveaux projets novateurs développés pour atteindre cette physique, on trouve POLAREX@ALTO (POLARization of EXotic nuclei). POLAREX est la combinaison unique d'étude de noyaux fortement polarisés et très riches en neutrons. Il met en œuvre un réfrigérateur à dilution 3He-4He pour atteindre une température de 6 millikelvin couplée à un aimant supraconducteur de 1T. Il permet ainsi l'étude de la structure nucléaire de noyaux exotiques dans des conditions extrêmes (très basses températures, très fort champs magnétiques, noyaux très riches en neutrons, courte durée de vie, …). Un large éventail d'objectifs a donc formé la base de ce travail : aspects de structure nucléaire basés sur la multipolarité γ, tests de l'interaction faible, non-conservation de la parité dans les désintégrations γ. Le système expérimental de refroidissement a été testé et commissionné au CSNSM à Orsay. Il est maintenant installé auprès de la nouvelle installation ALTO-RIB, à l'IPN d'Orsay. La phase expérimentale en cours permet la mesure de moments magnétiques et de rapports de mélange de multipolarité de différents états excités des noyaux exotiques polarisés. Cette partie du programme consiste à implanter des noyaux exotiques sur une feuille de métal ferromagnétique qui est alors introduite dans le cryostat de POLAREX. La zone d'intérêt de ces mesures se situe dans la région des lanthanides riches en neutrons qui est à l'heure actuelle peu connue car très difficile à atteindre. Les moments magnétiques et les spins sont des observables essentielles pour la description des fonctions d'onde et donc de l'interaction forte. Des questions clés (comme la nature des états excités 0+, l'apparition des grandes déformations) vont pouvoir être étudiées et peut être clarifiées. L'étudiant aura, tout particulièrement, en charge la mesure et l'étude des isotopes de Pm (mesure de champ hyperfin et de moments magnétiques). L'étudiant apprendra dans un premier temps à maîtriser les techniques de cryogénie, de détection et d'acquisition tout en prenant part à l'analyse des données déjà obtenues. Il devra participer à la préparation des expériences prévues en 2017 et au-delà, analyser les données et interpréter les résultats. En parallèle au programme POLAREX, nous sommes membres de la collaboration NICOLE à ISOLDE (CERN) - expérience similaire à POLAREX, et utilisant directement les faisceaux exotiques produits à ISOLDE, ainsi que de la collaboration BEDO à ALTO-RIB (Beta Decay studies in Orsay). L'étudiant sera aussi fortement impliqué dans ces deux collaborations qui ont des campagnes de mesures acceptées auprès de leur PAC respectifs. Ces implications lui permettront d'avoir une vision globale de l'étude de décroissances bêta polarisées et non-polarisées.

  • Titre traduit

    Study of polarized exotics nuclei with POLAREX


  • Résumé

    The key to understanding the nuclear interaction lies with the study of exotic nuclides, which exhibit properties that are radically different from their conventional cousins along the valley of stability. Complementing the current trend of studying nuclear dynamics from reactions with exotic nuclides are the necessary, unambiguous determinations of ground-state properties such as spin, half-life, mass and shape. Single-particle properties in nuclei are decisive for such determinations and a particularly powerful tool for their elucidation is the study of exotic nuclei in spin-oriented states. Among the new innovative projects developed to achieve this physics, there is POLAREX@ALTO (POLARization of EXotic nuclei). POLAREX studies the unique combination of highly polarized and highly neutron rich nuclei. It uses a a 3He -4He dilution refrigerator to reach temperature of 6millikelvin coupled to a 1T superconducting magnet. It allows the study of the nuclear structure of exotic nuclei under extreme conditions (very low temperatures, very strong magnetic fields, nuclei very rich in neutrons, short lifetime, etc.). This project is based on a large range of goals, such as, nuclear structure aspects based on γ multipolarity, low interaction tests, non-parity conservation in γ disintegrations. The experimental cooling system was tested and commissioned at the CSNSM in Orsay. It is now installed at the new ALTO-RIB facility at the IPN d'Orsay. The current experimental phase allows the measurement of magnetic moments and multipolarity mixing ratios of different excited states of polarized exotic nuclei. This part of the program consists of implanting exotic nuclei on a sheet of ferromagnetic metal, which is then introduced into the POLAREX cryostat. The area of interest is the region of lanthanides rich in neutrons, which is little known. The magnetic moments and the spins are essential observables for the description of the wave functions and therefore of the strong interaction. Key questions (such as the nature of 0+ excited states, large deformations) can be studied and can be clarified. In particular, the student will be responsible for the measurement and study of Pm isotopes (hyperfine field and magnetic moments measurements). The student will first learn to master the techniques of cryogenics, detection and acquisition while taking part in the analysis of the data already obtained. It should participate in the preparation of the planned experiments in 2017 and beyond, analyze the data and interpret the results. In parallel to the POLAREX program, we are members of the NICOLE collaboration at ISOLDE (CERN) - a similar experience to POLAREX, using the exotic beams produced at ISOLDE, as well as the BEDO collaboration at ALTO-RIB (Beta Decay studies in Orsay ). The student will also be strongly involved in these two collaborations which have experiment accepted from their respective PAC. These implications will allow him to have an overall view of the study of polarized and non-polarized beta decays.