Structure nucléaire au-delà du seuil d'émission neutron dans la région N=50 via différentes techniques de détection de neutrons à ALTO

Nuclear structure beyond the neutron threshold in the N=50 region using neutron detection techniques at ALTO

• Auteur / Autrice : Emile Cantacuzène
• Direction : David Verney
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance le 03/10/2025
• 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 : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (Orsay ; 2020-....)
• 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 : Denis Lacroix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luis Fraile, Alejandro Algora, María José García Borge, Stéphane Grévy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luis Fraile, Alejandro Algora
• DOI : 10.70675/2917e475ze23dz4013z8f90z33baad54efe0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure nucléaire

Noyaux exotiques

Modèles en couches (physique nucléaire)

Désintégration bêta

Neutrons -- Spectres

Astrophysique nucléaire

Mots clés libres

Structure nucléaire

Noyaux exotiques

Modèles en couche

Spectroscopie neutron

Décroissance beta

Processus r

Nuclear structure

Exotic nuclei

Shell models

Neutron spectroscopy

Beta decay

R-Process

Résumé

Pour les noyaux situés loin de la vallée de stabilité, à mesure que le nombre de neutrons augmente, l’énergie disponible pour la décroissance β augmente elle aussi. Dans le même temps, l’énergie nécessaire pour enlever un neutron, aussi appelée seuil de séparation neutron Sₙ diminue. Ainsi, pour des rapports N/Z suffisamment grands, il devient possible de peupler des états excités localisés au-dessus du seuil d’émission neutron dans le noyau fils, une région consistant a priori en un continuum d’états (par définition des états non liés, de durées de vie très brèves) décroissant par émission d’un neutron. On appelle ce phénomène émission de neutron β-retardée. Pour les noyaux très exotique la décroissance peut même se produire au-delà du seuil d’émission de deux neutrons voire trois dans des cas exceptionnels. La probabilité pour que la séquence β-n se produise au cours de la décroissance radioactive, souvent notée P₁ₙ (dans le cas de β-2n, P₂ₙ, etc.) est une quantité dont la prédiction défie les meilleures descriptions théoriques actuellement disponibles. Ceci est lié à notre faible connaissance de la structure des états localisés au-delà du seuil d’émission neutron pour des noyaux loin de la stabilité, qui a elle-même pour origine la très grande difficulté de leur étude expérimentale directe nécessitant la mise en œuvre de moyens complexes de détection des neutrons. Pour preuve, les modèles expliquant l'émission du neutron, jusqu'alors basés sur des arguments statistiques ont récemment été remis en question pour certains noyaux proches des fermetures de couches, favorisant des modèles microscopiques prenant en compte des effets de structure. Le compteur de neutron à ³He TETRA a été utilisé à ALTO afin d'investiguer l'émission de deux neutrons β-retardée du ⁸⁴Ga. Les résultats ont été confronté à un modèle schématique prenant en compte des effets de structure afin de vérifier la validité de ce type de modèle dans la région N = 50. La réponse du détecteur TETRA a été étudiée via l'utilisation de simulations Monte-Carlo afin de développer de nouvelles méthodes permettant d'obtenir des informations sur le spectre en énergie des neutrons. Ces méthodes ont été appliquées afin de prédire l'énergie moyenne des neutrons β-retardés du ⁸²Ga. Enfin, dans le cadre d'une expérience de spectroscopie neutron à ALTO, le détecteur par temps de vol MONSTER a permis de vérifier la validité de ces nouvelles méthodes en mesurant directement le spectre en énergie neutron du ⁸²Ga.

For nuclei located far from the valley of stability, as the number of neutrons increases, the energy available for β-decay also increases. At the same time, the energy required to remove a neutron, also known as the neutron separation energy Sₙ, decreases. As a result, for sufficiently large N/Z ratios, it becomes possible to populate excited states located above the neutron emission threshold in the daughter nucleus : a region that consists, in principle, of a continuum of states (by definition, unbound states with very short lifetimes) that decay by neutron emission. This phenomenon is known as β-delayed neutron emission. For very exotic nuclei, the decay can even occur beyond the two-neutron or, in exceptional cases, three-neutron emission thresholds. The probability that the β-n sequence occurs during radioactive decay, often denoted P₁ₙ (or P₂ₙ in the case of β-2n decay, etc.), is a quantity whose prediction challenges the best theoretical descriptions currently available. This is due to our limited knowledge of the structure of states located beyond the neutron emission threshold for nuclei far from stability, a limitation rooted in the extreme difficulty of directly studying these states experimentally, as such studies require complex neutron detection setups. As evidence, models that explain neutron emission based on statistical arguments have recently been called into question for certain nuclei near shell closures, favoring microscopic models that take structural effects into account. The TETRA neutron counter, based on ³He, was used at ALTO to investigate the β-delayed two-neutron emission of ⁸⁴Ga. The results were compared with a schematic model that includes structural effects in order to test the validity of such models in the N = 50 region. The response of the TETRA detector was studied using Monte Carlo simulations to develop new methods for extracting information about the neutron energy spectrum. These methods were applied to predict the average energy of β-delayed neutrons from ⁸²Ga. Finally, in a neutron spectroscopy experiment at ALTO, the MONSTER time-of-flight detector was used to verify the validity of these new methods by directly measuring the neutron energy spectrum of ⁸²Ga.