Study of ³⁶Ca : nuclear structure and astrophysical implications

Étude du ³⁶Ca : structure nucléaire et implications astrophysiques

• Auteur / Autrice : Louis Lalanne
• Direction : Faïrouz Hammache, Olivier Sorlin, Marlène Assié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et réactions nucléaires
• Date : Soutenance le 24/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : David Verney
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Grévy, Beatriz Fernández-Domínguez, Alfredo Poves, Alison Laird
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Grévy, Beatriz Fernández-Domínguez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique nucléaire

Réactions directes (physique nucléaire)

Structure nucléaire

Mots clés libres

Évolution des couches

Astrophysique nucléaire

Réactions directes

Radioactivité 2 protons

Symétrie d'isospin

X-Ray burst

Shell evolution

Nuclear astrophysics

Direct reactions

2 proton radioactivity

Isospin symmetry

X-Ray burst

Résumé

Le noyau de ³⁶Ca possède plusieurs propriétés fascinantes liées à la structure nucléaire, avec l'étude des effets de brisure de la symétrie d'isospin et de l'évolution de l’espacement des couches à la limite de non-liaison. De plus, l’énergie et la structure de ses états excités ont un intérêt astrophysique notamment pour l'étude de la réaction ³⁵K(p,γ)³⁶Ca qui est impliquée dans le processus rp se produisant dans les sursauts X.La symétrie isospin est l'une des symétries les plus fondamentales du noyau et est liée à l'indépendance de charge de l'interaction forte. Si la symétrie d'isospin est strictement préservée, les schémas de niveaux des noyaux miroirs (avec un nombre échangé de protons et de neutrons) devraient être identiques. L'interaction coulombienne brise la symétrie d'isospin et donne lieu à un décalage de l'énergie d'excitation entre les états analogues des noyaux miroirs, appelé différence d'énergie miroir. Dans le cas de la paire miroir ³⁶Ca-³⁶S, l'interaction coulombienne agit comme une loupe de la structure nucléaire, dont les effets sont examinés dans ce travail.La motivation d'astrophysique nucléaire est liée à la mesure indirecte du taux de la réaction ³⁵K(p,γ)³⁶Ca afin de mieux comprendre le profil de luminosité émis lors des sursauts X de Type Ia. En effet, cette réaction a été identifiée comme l'une des dix réactions (p,γ) qui pourraient avoir un impact significatif sur la forme de la courbe de lumière calculée des sursauts X. La présente expérience vise à étudier l'énergie, les valeurs de spin, les facteurs spectroscopiques protons et les largeurs des états excités d'intérêt astrophysique dans le ³⁶Ca. Les informations spectroscopiques pertinentes sont utilisées pour réexaminer le taux de la réaction ³⁵K(p,γ)³⁶Ca et ses incertitudes correspondantes et déterminer son impact sur la courbe de lumière des sursauts X.Le ³⁶Ca a été étudié au GANIL au moyen des réactions de transfert ³⁷Ca(p,d) et ³⁸Ca(p,t) à environ 50 MeV/nucléons. Des faisceaux radioactifs de ³⁷Ca et ³⁸Ca, produits avec le spectromètre LISE, ont été mesurés par deux ensembles de détecteurs sensibles à la position avant d'interagir avec une cible cryogénique d'hydrogène liquide. 6 télescopes MUST2 (cristaux de silicium DSSD et CsI) ont été utilisés pour identifier et mesurer les particules légères émises pendant la réaction de transfert. Un ensemble de trois détecteurs (chambre d'ionisation, chambre de dérive et scintillateur en plastique) ont été utilisés pour détecter l'ion lourd sortant dans le canal de sortie. La détection des éjectiles légers et lourds a permis une détermination complète de la cinématique de la réaction, une attribution du moment angulaire transféré L de tous les états produits, et une réduction significative du bruit de fond.La spectroscopie complète du ³⁶Ca a été obtenue et de nouveaux états excités ont été identifiés. De très grandes différences d'énergie miroir ont été observées dans les nouveaux états intrus du ³⁶Ca. La corrélation des protons, vue à partir de la désintégration en deux protons des états hautement excités, a également été étudiée. Grâce aux résultats expérimentaux et aux calculs de modèles en couche, le taux de réaction ³⁵K(p,γ)³⁶Ca a été réévalué et fortement contraint avec une incertitude statistique pertinente. Outre le ³⁶Ca, la première étude de la spectroscopie du ³⁵Ca (y compris la mesure de sa masse) sera également présentée.

The ³⁶Ca nucleus has several fascinating properties linked to nuclear structure, with the study of isospin symmetry breaking effects and shell gap evolution at the proton drip-line. Moreover, the energy and structure of its excited states have an astrophysical interest in particular for the study of the key reaction ³⁵K(p,γ)³⁶Ca involved in the rp-process occurring in X-ray bursts.Isospin symmetry is one of the most fundamental symmetries in nuclei and is related to charge independence of the strong interaction. If the isospin symmetry is strictly preserved, the level schemes of mirror nuclei (with exchanged number of protons and neutrons) should be identical. The Coulomb interaction breaks the isospin symmetry and gives rise to shift in excitation energy between analogue states in mirror nuclei called Mirror Energy Differences (MED). In the case of the mirror pair ³⁶Ca-³⁶S, the Coulomb interaction act as a magnifying glass of the nuclear structure, which effects are scrutinized in this work.The nuclear astrophysics motivation is linked to the indirect measurement of the ³⁵K(p,γ)³⁶Ca reaction rate to better understand the luminosity profile emitted during Type Ia X-ray burst. Indeed, this reaction has been identified as one of the ten (p,γ) reactions that could significantly impact the shape of the calculated X-ray burst light curve. The present experiment aims at studying the energy, spin values, proton spectroscopic factors and widths of the excited states of astrophysical interest in ³⁶Ca. These relevant spectroscopic information are used to reinvestigate the ³⁵K(p,γ)³⁶Ca reaction rate and its corresponding uncertainties and determine its impact on the X-ray burst’s light curve.³⁶Ca was studied at GANIL by means of the ³⁷Ca(p,d) and ³⁸Ca(p,t) transfer reactions at about 50 MeV/nucleons. Radioactive beams of ³⁷Ca and ³⁸Ca, produced with the LISE spectrometer, were tracked by two sets of position-sensitive detectors before impinging on a liquid Hydrogen cryogenic target. 6 MUST2 telescopes (Silicon DSSD and CsI crystals) were used to identify and measure light particles emitted during the transfer reaction. An assembly of three detectors (ionization chamber, drift chamber and plastic scintillator) were used to detect the outgoing heavy ion in the exit channel. The detection of both light and heavy ejectiles ensured a complete determination of the kinematics of the reaction, an assignment of the transferred angular momentum L of all states produced, and a very reduced amount of background.The full spectroscopy of ³⁶Ca has been obtained and new excited states have been identified. Colossal MED have been observed in the newly discovered intruder states of ³⁶Ca. The proton correlation, viewed from the two-proton decay of highly excited states, has been also studied. With the experimental results and the help of shell-model calculations, the ³⁵K(p,γ)³⁶Ca reaction rate has been re-evaluated and constrained with meaningful statistical uncertainty. Besides ³⁶Ca, the first study of the spectroscopy of ³⁵Ca (including its mass measurement) will also be presented.