Etude des excitations collectives dans les noyaux de la région du 78Ni avec le spectromètre nu-ball

par Damien Thisse

Projet de thèse en Structure et réactions nucléaires

Sous la direction de Jonathan Wilson et de Matthieu Lebois.

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 Institut de physique nucléaire d'orsay (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Il est maintenant clairement établi que les fermetures de couches qui définissent les nombres magiques pour les noyaux de la vallée de stabilité évoluent avec le rapport N/Z: de nouveaux nombres magiques (N=40) apparaissent et d'autres semblent s'affaiblir. La question de la persistance des fermetures de couches loin de la stabilité présente un intérêt majeur pour la compréhension de la structure nucléaire mais aussi des processus de nucléosynthèse dans les supernovæ. Le noyau de Ni-78 reste le dernier noyau de masse intermédiaire dont le statut de noyau doublement magique n'a pas été confirmé expérimentalement [1-8]. Ce noyau étant particulièrement riche en neutron, il est très difficile d'en faire l'étude par spectroscopie gamma. Néanmoins l'étude de l'évolution du gap N=50 peut être réalisée en s'intéressant aux propriétés des isotones N=49,50 et 51. Plus particulièrement, l'étude des états excités des isotopes N=50 produits par la promotion d'un neutron de la couche g9/2 à d5/2 qui permet de mesurer directement la taille du gap séparant les deux couches. Expérimentalement, ces états 1particule-1trou (1p-1h) sont reconnaissable par le multiplet d'états YRAST (2, ... ,7)+ qu'ils forment [7,8]. Ces états peuvent être peuplés soit par des réactions avec des ions lourds ou la fission. En 2017-2018 se tiendra, à ALTO [9], une campagne expérimentale utilisant un nouveau spectromètre gamma qui permettra d'effectuer la spectroscopie gamma des noyaux produits dans la fission induite par neutrons rapides de l'238U. Ce spectromètre est un détecteur hybride couplant l'excellente résolution en temps des scintillateurs LaBr3 et l'excellente résolution en énergie des détecteurs germanium. Il sera couplé avec la source de neutron LICORNE [10]. Cette dernière est unique au monde de par sa capacité à produire des neutrons naturellement collimés ce qui permettra de placer nu-ball en géométrie rapprochée autour des échantillons qui seront irradiés. Ce couplage ouvre, pour la première fois au monde, la possibilité d'effectuer la spectroscopie gamma des réactions induites par neutrons rapides. Une expérience (N-SI-109) est programmée pendant la campagne pour effectuer la spectroscopie gamma des fragments issus de la fission induite par neutrons rapides du 232Th et 238U. Les isotopes d'intérêts seront sélectionnés par l'utilisation de coïncidences g-g-g et/ou g-g-gretardés. La combinaison du mécanisme de réaction et du spectromètre permettra de pousser la limite d'observation au-delà des noyaux de 79-80-81Zn. Ainsi, en plus de permettre l'observation des états YRASTs précédemment décrit, cette expérience devrait aussi permettre de compléter notre connaissance de la structure des noyaux riches en neutrons dans la région. Ce qui est totalement complémentaire du programme de physique mené avec les faisceaux radioactifs produits à ALTO. L'analyse des données produites dans cette expérience constitueront le cœur du travail de l'étudiant

  • Titre traduit

    Study of collective excitations in nuclei in the neighbourhood of 78Ni with the nu-ball spectrometer


  • Résumé

    It is now an established fact that the major shell closures identified in stable atomic nuclei, defining the so-called “magic numbers”, evolve with the N/Z ratio and can quench while others can appear. The study of this evolution, for neutron rich nuclei for example, in connection with astrophysical scenarios like the rapid neutron capture process (r-process) has triggered an important experimental and theoretical work on nuclei around N = 50 or 82. Here, doubly magic nuclei play an important role as waiting points for the r-process. 78Ni, with the largest N/Z ratio in a doubly magic nucleus, represents a unique possibility of exploring the properties of very neutron-rich nuclei and the evolution of the N = 50 gap between 68Ni and 78Ni. From an experimental point of view, the question of whether 78Ni is doubly magic or not remains still an open question [1-8]. As the spectroscopy of 78Ni is still a challenging experiment, one can get indirect information on the N = 50 shell closure in 78Ni from the study of isotonic chains N = 49, 50 and 51. An efficient method, other than mass measurements, to estimate the size of a shell gap is to study the particle-hole states in which one nucleon is promoted across the gap. These states form a multiplet ranging from 2+ to 7+, corresponding to the N = 50 core excitation (νg9/2-1νd5/21) [7,8]. These states can lie near the yrast line and can thus be populated in heavy ions induced reactions. Also spontaneous or fast neutron induced fission can be a door to populate these states. In 2017-2018, ALTO [9] will host an experimental campaign of gamma (g) spectroscopy based on the use of a new hybrid array called nu-ball. This spectrometer couples the excellent time resolution of LaBr3 scintillators with excellent energy resolution of germanium detectors. The array will be used in combination with the LICORNE neutron source [10]. It a unique source of its kind as it can produce naturally collimated fast neutrons allowing the placement of nu-ball in a narrow geometry close to the irradiated sample. It is the first time worldwide that gamma spectroscopy of fast neutron induced reaction can be performed. During the campaign, one experiment (N-SI-109) will be performed to study nuclear structure of nuclei produced in the fast neutron induced fission of 232Th and 238U. Isotopes of interest will be selected using triple g-g-g (delayed or not) coincidences. Combination of reaction mechanism and nu-ball spectrometer should allow us to push the observational limit beyond 79-80-81Zn. Then, in addition to the observation of previously discussed yrast states, this experiment should increase our understanding of the nuclear structure of neutron rich nuclei in the region. This being complementary to the physics program carried out with radioactive ion beams produced at ALTO. The analysis of the produced data will be the center of the future PhD student work.