Spectroscopie des noyaux exotiques à travers la carte des nucléides : de ¹¹Li,¹³Li à ¹⁰²Sn

Spectroscopy of exotic nuclei across the nuclide chart : from ¹¹LI,¹³Li to ¹⁰²Sn

• Auteur / Autrice : Paul André
• Direction : Anna Corsi, Aldric Revel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et réactions nucléaires
• Date : Soutenance le 21/10/2022
• 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 : Laboratoire : Département de physique nucléaire (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Elias Khan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Miguel Marqués, Kathrin Wimmer, Marlène Assié, Olivier Sorlin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Miguel Marqués, Kathrin Wimmer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie nucléaire

Noyaux exotiques

Forces nucléaires (physique)

Spectrométrie gamma

Mots clés libres

Spectroscopie gamma

Interaction nucléaire

Noyaux exotiques

Spectroscopie de masse invariante

Gamma spectroscopy

Invariant mass spectroscopy

Nuclear interaction

Exotic nuclei

Résumé

Le noyau atomique est un système quantique à plusieurs corps intéragissant via l'interaction forte et la force Coulombienne, caractérisé par ses Z protons et ses N neutrons. Les plus de 300 noyaux découverts offrent autant de manières de tester la connaissance et les modèles actuels de sur la structure interne des noyaux. Les noyaux instables, dits exotiques, montrent notamment des propriétés remarquables, telles que la formation de halo, de clusters, l'apparition ou la disparition des nombres magiques. Cette thèse présente les résultats de deux expériences portant sur la structure des noyaux exotiques, réalisées à la Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), au sein du Riken Nishina Center, au Japon.La première consiste en l'étude de l'excitation inélastique de trois isotones avec N=52, à savoir ⁹⁸Pd, ¹⁰⁰Cd et ¹⁰²Sn. Ces trois noyaux sont produits par fragmentation sur une cible de ⁹Be, avant de réagir par excitation inélastique sur une cible de 5mm de CH₂ et une cible de carbone de 3mm. Les produits de cette réaction sont ensuite analysés dans le spectromètre ZeroDegree. Les rayons γ produits lors de la désexcitation de ces noyaux ont été détectés et la section efficace d'excitation inélastique du premier état excité 2⁺ de chaque isotone en a été déduite. Cette quantité permet de déduire des informations sur la capacité de ces noyaux à être excités, et donc sur la stabilité des noyaux autour de ¹⁰⁰Sn (Z=N=50) et sur la magicité de ce dernier. Après analyse, on observe la décroissance des sections efficaces d'excitation inélastique à l'approche de ¹⁰²Sn, indiquant une possible fermeture de couche, attendue pour le noyau doublement magique ¹⁰⁰Sn. Des calculs permettant l'estimation des éléments matriciels de transition permettront de savoir si cette fermeture est plus ou moins robuste qu'attendu.La deuxième expérience consiste en l'étude de la décroissance 2-neutrons de deux isotopes du Li : ¹¹Li et ¹³Li. Les noyaux légers riches en neutrons exhibent des structures spéciales, comme les noyaux à halos ₆He et ¹¹Li. L'émergence de telles structures pourrait être due aux corrélations neutron-neutron dans ces systèmes, et leur étude permet la caractérisation de ces corrélations via la détermination de la distance neutron-neutron. Dans cette expérience, ¹¹Li et ¹³Li sont produits par le knockout d'un proton sur des noyaux de ¹²Be et ¹⁴Be respectivement. Après population d'états non liés du ¹¹Li et du ¹³Li, ces derniers décroissent par l'émission de deux neutrons. Ces derniers et les fragments de ⁹Li et ¹¹Li sont ensuite détectés dans le spectromètre SAMURAI. Ces mesures permettent la reconstruction de l'énergie relative et des coordonnées de Jacobi du système à trois corps. Ces observables sont ensuite comparées à des simulations afin de déterminer la nature du processus de décroissance : décroissance directe avec émission simultanée des neutrons, ou décroissance séquentielle avec émission différée des neutrons. Cette analyse révèle le caractère principalement direct de la décroissance du ¹³Li, ainsi qu'une première observation de décroissance séquentielle à haute énergie relative pour ¹³Li. Cette expérience montre aussi le caractère principalement séquentielle de la décroissance du ¹¹Li. Pour les deux isotopes, des pourcentages de chaque type de décroissance, ainsi que la distance neutron-neutron, sont estimées pour plusieurs gammes d'énergie relative.

The atomic nucleus is a quantum system of many bodies interacting via the strong interaction and the Coulombian force, characterized by its Z protons and N neutrons. More than 300 nuclei have been discovered and they offer as many ways of testing the knowledge and the current models on the internal structure of the atomic nucleus. The unstable nuclei, called exotic, show remarkable properties such as the formation of halos, of clusters, or the disappearance of magic numbers. This thesis presents the results of two experiments on the structure of exotic nuclei, performed at the Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), at the Riken Nishina Center, Japan.The first one consists in the study of the inelastic excitation of three isotones with N=52, namely ⁹⁸Pd, ¹⁰⁰Cd et ¹⁰²Sn. These three nuclei are produced via fragmentation on a ⁹Be target, before reacting via inelastic excitation on a 5 mm CH₂ target, and on a 3 mm C target. The products of this reaction are then analyzed in the ZeroDegree spectrometer. The γ rays produced during the deexcitation of these nuclei are detected and the inelastic excitation corss-section of the first 2⁺ excited state of each isotone are then deduced. One can deduce from this quantity information on the ability of these nuclei to be excited, and therefore on the stability of nuclei around 100Sn (Z=N=50) and on the magicity of the latter. After this analysis is performed, one observes a decrease of the inelastic excitation cross-sections as one gets closer to ¹⁰²Sn, indicating a possible shell closure, expected for the doubly magic ¹⁰⁰Sn. Theoretical calculations yielding an estimate of the transition matrix elements will show whether this shell closure is smoother than expected or not.The second experiment consists in the study of the two-neutron decay of two Li isotopes : ¹¹Li and ¹³Li. Light neutron-rich nuclei show special structures, such as the halo nuclei ₆He and ¹¹Li. The emergence of such structures could be attributed to neutron-neutron correlations in these systems, and their study provides the characterization of these correlations via the determination of the neutron-neutron distance. In this experiment, ¹¹Li and ¹³Li are produced via proton knockout on ¹²Be and ¹⁴Be respectively. After populating their unbound states, ¹¹Li and ¹³Li decay by emitting two neutrons. These neutrons and the ⁹Li and ¹¹Li fragments are then detected in the SAMURAI spectrometer. These measurements enable the reconstruction of the relative energy and the Jacobi coordinates of the three-body system. These observables are then compared to simulations in order to determine the nature of their decay process : direct with the simultaneous emission of the neutrons, or sequential with the delayed emission of the neutrons. This analysis reveals the mostly direct nature of the decay of ¹³Li, as well as the first observation of a sequential decay at high relative energy. This experiment also shows the mostly sequential nature of the decay of ¹¹Li. For both isotopes, percentages of each type of decay, as well as the neutron-neutron distance, are estimated for several ranges of relative energy.