Évolution de la séparation spin-orbite du 16O au 22O et rôle de la force tenseur

Evοlutiοn οf the spin-οrbit splitting frοm 160 tο 220 and the rοle οf tensοr fοrce

• Auteur / Autrice : Antoine Barriere
• Direction : Olivier Sorlin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/01/2025
• 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 : Établissement co-accrédité : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grand accélérateur national d'ions lourds (Caen)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Beaumel, Anna Corsi, Miguel Marqués, Marek Ploszajczak, Marlène Assié
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Beaumel, Anna Corsi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Analyse des données

Isotopes radioactifs

Réactions directes (physique nucléaire)

Forces nucléaires (physique)

Spectroscopie nucléaire

Structure nucléaire

Mots clés libres

Réaction de knockout

Force tenseur

Nuclear structure

Nuclear spectroscopy

Tensor force

Knockout reaction

Radioactive isotopes

Data analysis

Computer simulations

Résumé

Dans le cadre du modèle en couches, l'interaction nucléaire à deux corps peut être divisée en une partie centrale, une partie spin-orbite (SO) et une partie tenseur. La grande majorité des études réalisées jusqu'à présent sur des noyaux stables de la carte des noyaux montrent que l'amplitude de la séparation SO décroît selon A^(-2/3), en raison du terme de surface dominant de la force spin-orbite. Le but de cette étude, qui va au-delà de la vallée de stabilité, est de déterminer l'évolution de la séparation SO des orbitales proton 0p3/2 et 0p1/2 entre le noyau bien connu d'16O (N = 8) et celui riches en neutrons d'22O (N = 14). En plus du rôle de la force SO, cette évolution dépend également de la contribution de la force tenseur, qui devrait conduire à une diminution supplémentaire de la séparation SO lorsque l'orbitale neutron 0d5/2 se remplit par-dessus le noyau doublement magique d'16O.L'expérience s509 a été réalisée sur la ligne de faisceau R3B pendant la campagne expérimentale de 2022 au GSI. Les noyaux d'22O ont été sélectionnés via le spectromètre FRS, puis ont interagi avec une cible d'hydrogène cryogénique de 5 cm d'épaisseur pour induire des réactions de diffusion quasi-libre de neutrons et de protons. Ces réactions ont peuplé, entre autres, les états trou neutron et proton dans l'22O, conduisant aux noyaux d'21O et de 21N, respectivement. Les protons et les neutrons issus des réactions (p,2p) ou (p,pn), les noyaux résiduels et les produits de désintégration associés ont été détectés à l'aide de la ligne de détection R3B. Ce dispositif a permis une reconstruction complète événement par événement dans la cinématique inverse, y compris l'identification et la détermination de la quantité de mouvement des noyaux entrants et des fragments sortants. En outre, les spectroscopies gamma et neutrons à haute résolution ont été réalisées à l'aide des multi-détecteurs CALIFA et NeuLAND, respectivement. La combinaison de détecteurs au sein de ce dispositif expérimental a permis d'étudier la désintégration des états liés et non liés peuplés par ces réactions, ainsi que le moment angulaire des nucléons éliminés au cours des réactions d'élimination.La première partie de cette thèse se concentre sur l'étude de la magicité N = 14 du noyau d'22O via la réaction 22O(p,pn), en sondant le degré de corrélation entre les orbitales neutron 0d5/2 et 1s1/2. La limite supérieure de l'occupation neutron de l'orbitale de valence 1s1/2 est alors estimée, à partir de la spectroscopie gamma et de l'analyse des moments, à <1% avec un niveau de confiance de 68%. En outre, nous avons identifié un nouvel état non lié dans l'21O à Erel = 0.438(30) MeV, dont le SF et le moment de recul transversal sont cohérents avec un état 1/2^- prédit par les calculs du modèle en couches.La seconde partie de ce travail est consacrée à l'identification ainsi qu'à la détermination du facteur spectroscopique des états 0p dans le noyau de 21N, jusqu'à son seuil d'émission deux neutrons, via la réaction 22O(p, 2p). La population du premier état lié connu 3/2^-(1) et de deux nouvelles résonances ont été observées en utilisant les spectroscopies gamma et neutron (1n), respectivement. L'extraction des facteurs spectroscopiques associés permet de déterminer l'amplitude de la séparation entre les orbitales proton 0p1/2 et 0p3/2 (Z = 6) dans l'22O. Cette valeur est ensuite comparée à différents calculs, incluant (ISM(YSOX)) ou excluant (potentiel WS) la force tenseur, afin d'estimer sa contribution à l'évolution de la séparation SO.

In the shell model framework, the two-body nuclear force can be divided into a central, spin-orbit (SO) and tensor parts. The vast majority of studies performed so far in stable nuclei of the nuclear chart show that the amplitude of the SO splitting scales with approximately A^(-2/3), due to the surface-dominant term of the spin-orbit force. The aim of this study, which goes far beyond stability, is to determine the evolution of the proton 0p3/2-0p1/2 SO splitting between the well-known 16O (N = 8) and the neutron-rich 22O (N = 14) nuclei. In addition to the role of the SO force, this evolution also depends on the contribution of the tensor force, which should lead to a further decrease of the SO splitting as the neutron 0d5/2 shell fills on the doubly magic 16O nucleus.The s509 experiment was conducted at the R3B beamline during the 2022 experimental campaign at GSI. The 22O nuclei were delivered via the FRS spectrometer and impinged a 5 cm thick cryogenic hydrogen target to induce neutron and proton quasi-free scattering (QFS) reactions. These reactions populated, among others, the neutron and proton hole states in 22O, leading to the 21O and 21N nuclei, respectively. The protons and neutrons arising from (p,2p) or (p,pn) reactions, the residual nuclei, and their associated decay products were detected using the versatile R3B setup in Cave C. This setup allowed a complete event-by-event reconstruction in inverse kinematics, including the identification and momentum determination of both the incoming nuclei and outgoing fragments. In addition, high- resolution gamma-ray and neutron spectroscopy was performed using the CALIFA and NeuLAND arrays, respectively. The combination of detectors within this experimental setup allowed the study of the decay of both bound and unbound states populated by these reactions, as well as the study of the angular momentum of the nucleons removed during the knockout reactions.The first part of this thesis focuses on the study of the N = 14 magicity of the 22O nucleus via the 22O(p,pn) reaction, probing the degree of correlation across the neutron 0d5/2-1s1/2 gap. The upper limit of the neutron occupancy of the valence 1s1/2 orbital is then estimated from gamma- spectroscopy and momentum analysis to be <1% with a confidence level of 68%. In addition, we have identified a new unbound state in 21O at Erel = 0.438(30) MeV, whose the strength and transverse recoil momentum are consistent with a 1/2^- state predicted by Shell Model calculations.The second part of this work is dedicated to the identification as well as the determination of the spectroscopic factor of the 0p states in the 21N nucleus, up to its two-neutron emission threshold, through the 22O(p, 2p) reaction. The population of the first known 3/2^-(1) bound state and two new resonances were observed using gamma- and one-neutron spectroscopy, respectively. The extraction of the associated spectroscopic factors allows the determination of the amplitude of the proton 0p1/2-0p3/2 gap (Z = 6) in 22O. This value is then compared with different calculations, including (ISM(YSOX)) or excluding (WS potential) the tensor interaction, in order to estimate its contribution to the evolution of the SO splitting.