Sonder le pairing proton-neutron par la réaction de transfert 48Cr(p,3He)46V

Probing proton-neutron pairing via 48Cr(p,3He)46V transfer reaction

• Auteur / Autrice : Hugo Jacob
• Direction : Yorick Blumenfeld
• 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

Appariement

Proton-Neutron

Transfert

Réaction

Nuclear Structure

Pairing

Proton-neutron

Transfer

Reaction

Résumé

Les corrélations d'appariement sont au coeur des phénomènes de superfluidité dans les systèmes quantiques à N corps. Leur description théorique est basée sur la théorie microscopique de la superconductivité dévelopée par Bardeen, Cooper and Schrieffer (BCS) à partir des paires fortement corrélées, les paires de Cooper. Dans le noyau atomique, ces paires sont faites de nucleons identiques, neutron-neutron (nn) et proton-proton (pp), et jouent un role majeur car ce sont les principales correlations à plusieurs corps au delà du champ moyen. Elles sont responsables de l'apparition de phénomènes tels que l'alternance des énergies de liaison entre les noyaux pairs et impaires, la réduction des moments d'inertie ou les noyaux à halo. De plus, le noyau offre la possiblité unique, avec ses deux fluides de neutrons et de protons, d'étudier l'appariement de type neutron-proton. On sait déjà que cet appariement est plus fort que l'appariement nn ou pp car le seul noyau de masse A=2 lié est le deuteron (les systèmes 2n et 2p ne sont pas liés). La question à laquelle tentera de répondre cette thèse est de savoir si des paires fortement corrélées np existent. Les noyaux les plus favorables pour trouver de la superfluidité np sont les noyaux N=Z avec des orbitales de grand j partiellement remplies, car le recouvrement des ondes neutron et proton est alors maximal. Alors que les paires nn et pp ont été très largement étudiées, la recherche sur les paires np en est encore à ses début en raison de la difficulté de produire de grandes quantités de noyaux lourds N=Z, qui se trouve loin de la stabilité. La meilleure sonde pour le pairing est la réaction de transfert de paires où une paire np fortement corrélée est tranférée entre un noyau superfluide et un noyau très léger qui sert de sonde. Ici, nous avons choisi la sonde la plus simple : le proton. L'orbitale de j le plus élevé accessible expérimentalement auprès de nos accélérateurs est la couche f7/2, c'est pourquoi nous proposons d'étudier son noyau de milieu de couche, le 48Cr via la réaction de transfer 48Cr(p,3He)46V. L'expérience est déjà approuvé au GANIL et sera faite au printemps 2023, dans le cadre de la campagne MUGAST@LISE. Le faisceau radioactif de 48Cr sera produit par fragmentation d'un faisceau stable de 50Cr et sélectionné à l'aide du spectromètre LISE. Le dispositi expérimental combine un détecteur de particules (3He) de dernière génération MUGAST et un ensemble de détecteurs de rayonnement gamma basé sur des clovers germanium de haute pureté, EXOGAM. Le dispositf est complété par des détecteurs de faisceau (CATS) et une détection à zero degré pour identifier le 46V. L'étudiant participera à la préparation et à la réalisation de l'expérience. Il/Elle prendra en charge l'analyse des données avec le package NPTool basé sur ROOT et GEANT4. Il/Elle prendra aussi une part active dans l'interprétation des données en faisant tourner des modèle de réaction reposant sur l'apparoximation de Born des ondes distordues (DWBA). Selon ses préférences, il/elle pourra aussi développer des modèles théoriques pour décrire l'appariement np au delà du modèle en couches. Sinon, un étudiant plus intéréssé par les aspects instrumentaux, pourra contribuer au développement de la future génération de détecteur de particules chargées, GRIT.

Pairing correlations are at the heart of superfluidity in strongly interacting quantum many-body systems. Their theoretical description is rooted in the microscopic theory of superconductivity developed by Bardeen, Cooper and Schrieffer (BCS) with building blocks made of strongly correlated pairs, the Cooper pairs. In atomic nuclei these pairs are made of identical nucleons, neutron-neutron (nn) and proton-proton (pp), and play a major role as pairing is the dominant many-body correlation beyond mean-field. They are responsible for the appearance of intriguing phenomena like the odd-even staggering in binding energy, the reduction of moments of inertia or halo nuclei. In addition, with the coexisting neutron and proton fluids, nuclei offer the unique opportunity to study cross-species pairing: the neutron-proton (np) pairing. We already know that the np pairing is stronger than nn and pp pairing because the only nucleus of mass A=2 that is bound is the deuteron (the 2n and 2p systems are unbound). The open question we propose to address in this PhD is whether strongly correlated np pairs exist. The most favorable region to find np superfluidity is N=Z nuclei with partially filled high-j valence orbitals where the overlap between neutron and proton wave functions is maximal. While nn and pp paring have been intensively studied, the investigation of np pairing is still in its infancy due to the difficulty of producing large quantities of heavy N=Z nuclei, which lie far from stability. The best probe for pairing is pair transfer reactions where a strongly correlated np pair is tunneling between a superfluid-like nucleus and a simple probe. Here we choose the simplest possible probe, a proton.. The highest-j orbital accessible experimentally with current facilities is the f7/2 shell, which is why we propose to investigate its mid-shell nucleus, 48Cr through the transfer reaction 48Cr(p,3He)46V. The experiment is already approved at GANIL and will be run in spring 2022. The radioactive beam of 48Cr will be produced by fragmentation of a 50Cr stable beam and selected with the LISE spectrometer. The experimental set-up combines state-of-the-art particle detection (for the 3He ejectile) based on an ensemble of Silicon detectors of high resolution and high granularity(MUST2) and a gamma-ray array composed of 4 high-purity germanium clovers (EXOGAM). It is supplemented by beam tracking devices (CATS) and zero-degree detection to identify the residual 46V nuclei. The PhD student will participate to the preparation and the running of the experiment. He/She will then be in charge of the analysis of the data with the NPTool package based on ROOT and GEANT4. He/She will also take an active part in the interpretation of the data by running the reaction models based on Distorted Wave Born Approximation (DWBA). Depending on his/her personal preference, the PhD student may develop the theoretical models to describe np