Structure au delà du seuil neutron dans les noyaux d'intérêt pour le processus r produits à ALTO

Structure beyond the neutron threshold in the nuclei of interest for the r process produced at ALTO

• Auteur / Autrice : Emile Cantacuzene
• Direction : David Verney
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Structure nucléaire

Noyaux exotiques

Modèles en couche

Spetroscopie neutron

Décroissance beta

Processus r

Nuclear structure

Exotic nuclei

Shell model

Neutron spectroscopy

Beta decay

R-process

Résumé

Pour les noyaux situés loin de la vallée de stabilité, à mesure que le nombre de neutrons augmente, l'énergie disponible pour la décroissance beta; (beta) augmente elle aussi. Dans le même temps, l'énergie nécessaire pour enlever un neutron, aussi appelée seuil de séparation neutron (Sn) diminue. Ainsi, pour des rapports N/Z suffisamment grands, il devient possible de peupler des états excités localisés au-dessus du seuil d'émission neutron dans le noyau fils, une région consistant a priori en un continuum d'états (par définition des états non liés, de durées de vie très brèves) décroissant par émission d'un neutron. On appelle ce phénomène émission de neutron beta-retardée. Pour les noyaux très exotique la décroissance peut même se produire au-delà du seuil d'émission de deux neutrons voire trois dans des cas exceptionnels. La probabilité pour que la séquence beta-n se produise au cours de la décroissance radioactive, souvent notée P1n (dans le cas de beta-2n, P2n etc) est une quantité dont la prédiction défie les meilleures descriptions théoriques actuellement disponibles. Ceci est lié à notre faible connaissance de la structure des états localisés au-delà du seuil d'émission neutron pour des noyaux loin de la stabilité, qui a elle-même pour origine la très grande difficulté de leur étude expérimentale directe nécessitant la mise en œuvre de moyens complexes de détection des neutrons. En conséquence, cette région d'énergie d'excitation du noyau très élevée a révélé récemment quelques surprises de taille, comme une compétition anormalement grande entre désexcitation par neutrons et par gammas pour certains noyaux exotiques. La connaissance expérimentale précise des probabilités d'émission de neutrons beta-retardées est cruciale pour la gestion des réacteurs nucléaires ou pour l'étude des processus de nucléosynthèse des éléments plus lourds que le fer par capture rapide de neutrons (processus r) dans les explosions de supernovæ ou, comme récemment découvert, lors de la fusion de deux étoiles à neutrons. Le but de cette thèse est de contribuer à l'étude de ces régions mystérieuses du spectre d'excitation des noyaux exotiques, la région du seuil d'émission neutron et au-delà, dans des zones de masse d'intérêt pour le processus r, i.e. non loin des nombres magiques de neutrons N=50 et 82. Ces études seront réalisées auprès de l'installation de faisceaux radioactifs ALTO au travers de deux techniques complémentaires, l'une basée sur le comptage à l'aide d'un détecteur à He-3 l'autre basée sur la spectroscopie par temps de vol à l'aide d'un multidétecteur à scintillant liquide.

For nuclei far from the valley of stability, as the number of neutrons increases, the energy available for beta-decay (Qbeta) also increases. At the same time, the energy required to remove a neutron, also called the neutron separation threshold (Sn) decreases. Thus, for sufficiently large N/Z ratios, it becomes possible to populate excited states localized above the neutron emission threshold in the daughter nucleus, a region consisting a priori of a continuum of states (by definition unbound states, with very short lifetimes) decaying by emission of a neutron. This phenomenon is called beta-delayed neutron emission. For very exotic nuclei the decay can even occur beyond the threshold of emission of two neutrons or even three in exceptional cases. The probability that the beta-n sequence occurs during radioactive decay, often noted as P1n (in the case of beta-2n, P2n etc) is a quantity whose prediction defies the best theoretical descriptions currently available. This is related to our poor knowledge of the structure of the states localized beyond the neutron emission threshold for nuclei far from stability, which itself originates from the very great difficulty of their direct experimental study requiring the implementation of complex means of neutron detection. As a consequence, this region of very high nucleus excitation energy has recently revealed some major surprises, such as an unusually large competition between neutron and gamma de-excitation for some exotic nuclei. The precise experimental knowledge of beta-delayed neutron emission probabilities is crucial for the management of nuclear reactors or for the study of nucleosynthesis processes of elements heavier than iron by rapid neutron capture (r-process) in supernova explosions or, as recently discovered, during the fusion of two neutron stars. The goal of this thesis is to contribute to the study of these mysterious regions of the excitation spectrum of exotic nuclei, the neutron emission threshold region and beyond, in mass regions of interest for the r-process, i.e. not far from the magic neutron numbers N=50 and 82. These studies will be performed at the ALTO radioactive beam facility using two complementary techniques, one based on counting with a He-3 detector and the other based on time-of-flight spectroscopy with a liquid scintillator multidetector.