Calcul du spectre total de l’émission gamma induite par interactions nucléaires des particules du rayonnement cosmique avec le milieu interstellaire et comparaison avec les observations de l’astronomie gamma

Calculus of the total emission spectrum induced by nuclear interactions of cosmic-rays particles with interstellar medium and comparison with gamma astronomy observations

• Auteur / Autrice : Hinda Benhabiles-Mezhoud
• Direction : Jürgen Kiener
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, océan, espace. Physique nucléaire
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réactions nucléaires

Rayonnement cosmique

Astronomie gamma

Mots clés libres

Raies gamma

Résumé

Les rayons gamma, rayonnements électromagnétiques de haute énergie, sont produits par une large variété de processus physique et notamment lors de la désexcitation des noyaux atomiques. Ce processus qui nous intéresse particulièrement dans ce travail. Dans l’espace, ils sont émis lors de phénomènes violents qui produisent et libèrent une quantité importante d’énergie en un temps court, comme l’explosion de novae, de supernovae, les sursauts gamma, …. Ils sont également produits en quantité importante lors de l’interaction du rayonnement cosmique avec le milieu interstellaire ou encore lors des éruptions solaires. Leur étude fournit donc d’inestimables informations sur les mécanismes conduisant à leur production ainsi que les conditions physiques dans lesquels se trouvent les milieux où ils sont produits. Le but de notre travail est de contribuer à améliorer notre compréhension quant au flux de ces rayonnements produits dans différents sites dans l’univers et plus particulièrement dans l’interaction du rayonnement cosmique avec le milieu interstellaire. Dans ce cas, un mécanisme important de production de rayonnements gamma est la désexcitation des noyaux atomiques à partir des niveaux d’énergie atteints lors des différentes interactions nucléaires. Le spectre de ces rayonnements qui s’étend approximativement de 0. 1 à 10 MeV est constitué d’un ensemble de raies intenses et étroites correspondant à la désexcitation des premiers niveaux excités atteints, auxquelles s’ajoute un continuum formé par un grand nombre de gammas issus de la désexcitation des noyaux à partir des niveaux les plus élevés. De nombreuses mesures des sections efficaces de production des raies gamma de différentes énergies existent déjà, obtenues lors d’expériences dans différents laboratoires. Cependant, les sections efficaces pour plusieurs raies importantes, issues de la désexcitation de différents noyaux, n’ont toujours pas été mesurées expérimentalement. De plus, les gammes d’énergies pour lesquelles certaines productions de raies ont été étudiées, sont limitées. Cela conduit donc à des extrapolations aux gammes d’énergie les plus basses ou les plus hautes. Ces extrapolations sont d’autant plus cohérentes que les mesures expérimentales existent en nombre important. Nous avons réalisé une expérience auprès de l’accélérateur TANDEM de l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (IPNO) afin d’étudier les rayonnements gamma produits avec des cibles d’azote (N), de néon (Ne) et de silicium (Si) lors d’interactions avec deux faisceaux différents constitués de protons et de particules α. Les mesures obtenues nous ont permis de déterminer les sections efficaces totales de production des raies gamma et cela pour une large gamme d’énergies incidentes. Les mesures expérimentales obtenues sont par la suite reproduites en utilisant le code de calcul Talys qui simule les différents processus d’interactions nucléaires. Cet ajustement aux mesures expérimentales nous permet de déterminer différents paramètres effectifs dans le calcul des sections efficaces par Talys. Nous avons utilisé ces résultats pour calculer le spectre total de raies gamma nucléaires produit lors de l’interaction du rayonnement cosmique avec le milieu interstellaire.

My thesis work take place in the nuclear astrophysics domain. Nuclear astrophysics research includes various fields and the common aim is to provide advanced knowledge in theoretical or experimental nuclear physics for astrophysics open questions like nucleosynthesis, stellar evolution, big bang, ect. In this work we are interested in nuclear gamma-rays emission produced (or expected to be produced) in different phenomenon : novae, supernovae, solar flares and cosmic – rays interaction with the interstellar medium. The study of nuclear reactions involved in those gamma emissions provides important information and constraints in the understanding of particle acceleration and propagation mechanism in the considered medium. In this context, the work consisted in precise measurements of cross sections and excitation functions of the most important nuclear reactions involving in solar flares and in the cosmic-rays interaction with the ISM. The results obtained are an important issue to complete the nuclear data allowing predicting and calculating the gamma – rays spectra emitted in both phenomenons. In the nuclear reactions considered, only a few production cross sections of gamma – rays are enough known (only a few energies for a small number of nuclei). To extend the nuclear data base to other nuclei and for all energies corresponding to gamma spectra produced by accelerated particles interaction, we performed, in December 2006, an experiment at the tandem accelerator at IPN Orsay. We measured and studied the gamma- ray emission induced by collision between accelerated protons and alpha particles with different gas and solid targets : carbon, oxygen neon and silicon. Finally, we calculated the total gamma emission spectrum of the cosmic – ray interactions in the energy range 1 – 20 MeV and we compared the results obtained with available observed space observatory data.