RECHERCHE

Structure nucléaire

SIREN

Siliciums Innovants pour les Réactions Nucléaires

La Région Normandie subventionne la chaire d’excellence SIREN portant sur l’étude la structure des noyaux exotiques à l’aide de nouveaux ensembles de détecteurs à base silicium.

Pour mieux comprendre l’interaction nucléaire, l’origine des éléments et leur abondance dans l’univers, il est particulièrement intéressant de sonder les noyaux atomiques instables. Ceux-ci nous renseignent sur des aspects de l’interaction entre nucléons encore inexplorés et jouent un rôle majeur au cours des réactions de nucléosynthèse stellaire. Pour étudier ces noyaux dits « exotiques », le groupe de structure nucléaire du LPC Caen utilise des réactions nucléaires durant lesquelles un seul neutron ou proton est enlevé soudainement (arrachage) ou ajouté (transfert) à un tel noyau sans en perturber les autres constituants. Ces processus ne représentent qu’une infime fraction de tous ceux ayant lieu lorsque l’on envoie un noyau sur une cible mais ils sont les plus sensibles à l’agencement microscopique des neutrons et protons dans le noyau. L’arrachage et le transfert de nucléon posent des contraintes différentes sur les dispositifs et les installations à utiliser mais permettent d’obtenir des informations complémentaires sur les orbitales nucléaires vides et occupées. Une fois combinées, ces informations mènent à une connaissance plus profonde d’un noyau d’intérêt. Cette chaire a pour but principal de contribuer au développement de détecteurs à base de semi-conducteurs silicium (Si) pour deux projets d’envergure internationale, chacun focalisé sur un type de réaction. L’objectif final est d’atteindre des performances supérieures aux dispositifs existants dans ce domaine en termes de granularité, de compacité, d’efficacité et d’identification.

Pour le transfert d’un ou de quelques nucléons à basse énergie (~10 MeV/u), il est nécessaire d’être capable de détecter et d’identifier une variété de particules chargées (p, d, t, 3He, 4He, 6Li, etc) et de mesurer leurs propriétés cinématiques (énergie, angle) avec la meilleure précision possible. Le projet GRIT, auquel contribue fortement le LPC Caen (voir page dédiée ou site web), est construit en ce sens au sein d’une collaboration internationale avec l’IJCLab (Orsay, CNRS), le LNL (INFN, Legnaro) et l’Université de Padoue (INFN). La chaire SIREN pour objectif double de (i) développer le deuxième étage de détection des télescopes trapézoïdaux de GRIT (voir Fig. 1) et d’en commander environ 12 unités et (ii) d’établir un banc de test complet de 32 voies entièrement digitales pour qualifier chaque nouveau détecteur reçu.

Projet SIREN (LPC Caen)
Vue éclatée d’un telescope trapezoidal de GRIT. Le second étage (au milieu) est celui développé dans le cadre de la chaire SIREN

Fig.1

Pour l’arrachage de nucléon par des réactions de type (p,2p) ou (p,pn) à haute énergie (~250 MeV/u), il est plutôt nécessaire de détecter des protons  de haute énergie. La chaire SIREN permet au LPC Caen de contribuer de façon majeure à la construction d’un nouveau trajectographe STRASSE (Fig. 2) permettant d’effectuer ces mesures à l’installation RIBF-RIKEN. Ce système innovera notamment du point de vue de la reconstruction des propriétés du vertex d’interaction de la réaction avec une résolution de 0.5 mm (largeur totale à mi-hauteur) soit un facteur dix environ de mieux que l’état de l’art actuel. Cette précision est cruciale pour effectuer la correction Doppler de l’énergie des rayons gamma émis par le noyau produit et ainsi déterminer sans ambiguïté l’état quantique peuplé lors de la réaction. Utilisé en conjonction avec le calorimètre CATANA, il permettra d’appliquer la méthode dite de  « masse manquante » pour déterminer l’énergie de l’état peuplé dans le noyau produit. Pour y arriver, le baril hexagonal interne de silicium sera particulièrement compact (3 cm de rayon) et fin (200 um) pour limiter la dispersion en angle. Avec le baril externe plus épais (300 um), il représentera ainsi environ 17500 pistes de 200 um de large et autant de voies d’électronique de lecture. Les deux tonneaux concentriques formeront un système d’environ 12 cm de rayon qui sera couplé avec une cible d’hydrogène cryogénique liquide de 5 à 15 cm de long. Cette combinaison unique au monde d’une cible pure épaisse et d’un détecteur de vertex très efficace permettra d’étudier en quelques jours les noyaux les plus exotiques car elle compensera leurs très faibles taux de production (jusqu’à seulement quelques dizaines par seconde).

Projet SIREN (LPC Caen)
Design du trajectographe STRASSE (tonneau rose) avec ses cartes électroniques, sa structure mécanique. Le tout est entouré de cristaux du calorimètre CATANA (à droite) et du système cryogénique de la cible (gauche).

Fig.2

Au sein d’une collaboration internationale impliquant TU Darmstadt, TiTech  et le RIBF-RIKEN, le LPC Caen est plus précisément en charge du design mécanique et de l’intégration complète du système (représenté sur la Fig.2). La chaire SIREN finance une partie (environ 1/3) de la construction du sytème complet (détection, mécanique, électronique) à hauteur de 150 kEuros.

Région Normandie

Le RIN (Réseaux d’intérêts normands) Recherche de la Région Normandie a pour but de soutenir des projets de recherche, qui doivent réunir à minima deux partenaires normands. La Région souhaite ainsi simplifier les dispositifs pour permettre aux chercheurs de proposer des projets structurants, en cohérence avec la stratégie des établissements, des organismes et de la COMUE Normandie Université.

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