Étude de la réaction 30Si(p,g)31P pour comprendre les anomalies nucléosynthétiques dans les Amas Globulaires

par Djamila sarah Harrouz

Projet de thèse en Astrophysique nucléaire et nucléosynthèse

Sous la direction de Nicolas De sereville.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat , en partenariat avec Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    Les amas globulaires sont des objets essentiels pour étudier les modèles d'évolution stellaire et les premières phases de la formation des galaxies. Les anomalies d'abondance dans l'amas globulaire NGC 2419, telles que la surabondance de potassium et la déplétion de magnésium, peuvent être expliquées si une génération antérieure d'étoiles contamine les étoiles actuellement observées. Cependant, la nature et les propriétés de cette première génération d'étoiles ne sont pas clairement identifiées. La plage de températures et de densités de cette première génération d'étoiles dépend de la force d'un certain nombre de taux de réaction. Une meilleure connaissance de ces taux de réaction permettra de réduire la gamme de températures et de densités possibles, mettant ainsi en lumière l'évolution passée de l'amas globulaire. La réaction 30Si(p,g)31P est l'une des rares réactions identifiées comme ayant une influence suffisante permettant d'identifier la nature du ou des sites stellaires ayant contaminé NGC 2419. Un réseau de réaction nucléaire complet (de 1H à 55Cr) a été calculé pour de nombreux couples de température et de densité constantes et le résultat nucléosynthétique a ensuite été comparé aux abondances observées dans NGC 2419. Les cas retenus définissent un locus dans le plan T−ρ qui indique que les étoiles super-AGB et les novae classiques pourraient être de bons candidats pour cette première génération d'étoiles. Toutefois, cette conclusion reste sujette aux incertitudes liées à certains taux de réaction utilisés dans les simulations. C'est notamment le cas de la réaction 30Si(p,g)31P. Le but de cette thèse est de réduire les incertitudes nucléaires associées à la réaction 30Si(p,g)31P en déterminant la force des résonances d'intérêt astrophysique. Une première expérience acceptée réalisera une mesure directe de la force des résonances à 418 et 482 keV à l'aide du séparateur de recul DRAGON installé à TRIUMF à Vancouver au Canada. Pour les résonances d'énergie inférieure, une deuxième expérience, 30Si(3He,d)31P, sera réalisée au Tandem du laboratoire MLL à Munich. Les particules légères produites au cours de la réaction seront analysées en moment par le spectrographe magnétique Q3D à très haute résolution et leur distribution angulaire sera interprétée dans le cadre de la DWBA (Distorded Wave Born Approximation) pour obtenir les informations du facteur spectroscopique proton. Les résultats de ces expériences seront ensuite utilisés pour calculer une nouveau taux de la réaction 30Si(p,g)31P. Après avoir préparé et participé aux expériences, le/la doctorant(e) sera chargé(e) de l'analyse des expériences, de l'interprétation des résultats et de leur impact astrophysique. Les travaux s'effectueront dans le cadre d'une étroite collaboration internationale avec des physiciens nucléaires et astrophysiciens.

  • Titre traduit

    Study of the 30Si(p,g)31P reaction for understanding elemental anomalies in Globular Clusters


  • Résumé

    Globular clusters are vital testing grounds for models of stellar evolution and the early stages of the formation of galaxies. Abundance anomalies in the globular cluster NGC 2419, such as the enhancement of potassium and depletion of magnesium, can be explained in terms of an earlier generation of stars polluting the presently observed stars. However, the nature and properties of the polluting sites is not clear. The potential range of temperatures and densities of the polluting sites depends on the strength of a number of critical reaction rates. Additional constraints on these reaction rates will reduce the range of possible polluter temperatures and densities, shedding light on the past evolution of the globular cluster. The 30Si(p,g)31P reaction is one of the few reactions that has been identified to have an influence for elucidating the nature of the polluting stellar site(s) in NGC 2419. A full nuclear reaction network (from 1H to 55Cr) was evolved for many constant temperature and density couples and the nucleosynthetic outcome was then compared to the observed abundances in NGC 2419. The successful cases define a locus in the T−ρ plane which gives indications that super-AGB stars and classical novae could be strong candidates as polluting sites. However this conclusion is still subject to uncertainties related to some of the reaction rates used in the simulations. Concerning the 30Si(p,g)31P reaction, its current uncertainty has a strong impact on the range of possible temperatures and densities of the polluter sites The goal of the thesis is to reduce the nuclear uncertainties associated to the 30Si(p,g)31P reaction by determining the strength of the resonances of astrophysical interest. A first accepted experiment will perform a direct measurement of the strength of the 418- and 482-keV resonances using the DRAGON recoil separator at the TRIUMF facility in Vancouver, Canada. For the lower energy resonances a second experiment, 30Si(3He,d)31P, will be conducted at the Maier-Leibnitz-Laboratorium Tandem. Light particles produced during the reaction will be momentum analyzed by the very high resolution Q3D magnetic spectrograph and their angular distribution will be interpreted in the DWBA (Distorded Wave Born Approximation) framework to get the proton spectroscopic factor information. Results of these experiments will then be used to calculate a new 30Si(p,g)31P reaction rate. After preparing and participating to the experiments the PhD student will be in charge of the analysis of the experiments, the interpretation of the results and their astrophysical impact. The work will be performed within a strong international collaboration with experimental nuclear physicists and astrophysicists.