De la compréhension de l'abondance cosmique de 22Na par mesure de temps de vie en 23Mg

Understanding the cosmic abundance of 22Na : lifetime measurements in 23Mg

• Auteur / Autrice : Chloe Fougeres
• Direction : François De Oliveira Santos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/03/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grand accélérateur national d'ions lourds (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Francesca Gulminelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François De Oliveira Santos, Bertram Blank, David Verney, Jordi José, Sandrine Courtin, Emmanuel Clément
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertram Blank, David Verney

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grand accélérateur national d'ions lourds (Caen)

Durée de vie (ingénierie)

Magnésium

Résonance

Sodium

Astronomie gamma

Novae

Astrophysique nucléaire

Mots clés libres

Force de résonance

Durées de vie à la femtoseconde

Emissions de raies y décalées Doppler

Rapports d'embranchement proton

Nuclear astrophysics

Novae

Gamma-ray astronomy

22Na

Resonance strength

23Mg

Femtosecondes lifetimes

Doppler y-ray transitions

GANIL

AGATA

VAMOS

Proton branching ratios

SPIDER

EVASIONS code

MESA

NUSHELLX

Résumé

Les simulations de la nucléosynthèse dans les novæ prédisent la production du radioélément 22Na, une observable astronomique clé, par sa courte demi-vie, pour contraindre les modèles de novæ. Cette nucléosynthèse peut aussi expliquer l’excès mesuré de 22Ne dans certains grains présolaires et rayons cosmiques. La résonance à 0,204 MeV, dominant la réaction 22Na(p,y)23Mg aux températures des novæ, a une force discutée. Une expérience a été menée au GANIL afin de mesurer la durée de vie, le spin et rapport d’embranchement proton de l’état résonant à Ex=7,785 MeV dans le 23Mg. La réaction 3He(24Mg,⍺)23Mg* a été mesurée avec des détecteurs de particules (VAMOS, SPIDER) et avec le spectromètre gamma AGATA. Les particules alpha ont permis de reconstruire les énergies d’excitation. Sélectionnant les états peuplés, les spectres de raies y décalées Doppler ont été analysés avec plusieurs méthodes, dont une nouvelle, pour mesurer les durées de vie à une résolution de 1 fs. A cette fin, le code de simulation EVASIONS a été développé. Des protons issus d’états non liés ont été identifiés, cela a permis de mesurer le rapport d’embranchement proton de l’état clé. Une étude du modèle en couches permit de déterminer son spin, qui était aussi discuté expérimentalement. La force de résonance clé a été obtenue. Elle est inférieure à la sensibilité des expériences de mesure directe. Le taux de la réaction 22Na(p,y)23Mg a été réévalué avec la méthode Monte-Carlo. En utilisant le code de simulation stellaire MESA, nous avons pu montrer que la quantité éjectée de 22Na pendant les novæ peut être utilisée comme un outil permettant de quantifier certaines propriétés des novæ sous-jacentes. Finalement, nous avons estimé la distance limite de détection de 22Na durant des novæ et la fréquence d’observation de tels événements en utilisant la prochaine génération de télescopes spatiaux à raies y.

Simulations of explosive nucleosynthesis in novae predict the production of the radioelement 22Na, a key astronomical observable by its short half-life to constrain nova models. It can also help to explain the observed 22Ne excess in presolar grains and in cosmic rays. At peak novae temperatures, the dominant ER=0.204 MeV resonance of the reaction 22Na(p,y)23Mg has a highly debated strength. An experiment was performed at GANIL to measure the lifetime, spin and proton branching ratio of the Ex=7.785 MeV resonant state in 23Mg*. The reaction 3He(24Mg,⍺)23Mg*, populating the state of interest, was studied with particle detectors (VAMOS, SPIDER) and the gamma tracking spectrometer AGATA. Alpha particles allowed us to reconstruct the excitation energies. By selecting the populated states, Doppler shifted y-ray spectra were analyzed with several Doppler-based methods, including a new one, to measure lifetimes at 1 fs resolution. This led to the development of a new simulation code called EVASIONS. Protons emitted from unbound states were identified and proton branching ratio deduced. A shell-model study gave us clues on the spin of the key state which has a disputed experimental value. The resonance strength was obtained, it is below the sensitivity limit of the direct measurement experiments. A reevaluation of the 22Na(p,y)23Mg rate was obtained with the Monte-Carlo approach. The amount of 22Na ejected during novae was determined with the stellar simulation code MESA. It was shown that 22Na can be used as a tool for quantifying some properties of the underlying novae. We finally estimate the detectability limit of 22Na from novae and the observation frequency of such events with the next generation of gamma-ray space telescopes.