Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de sep/oct/nov 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 6 Mo

  • Dans ce numéro : des gouttes qui s'éclatent.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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I – Le projet scientifique nombre de protons Z Z = 8 SPIRAL2 Phase 1  : Grâce à la fusion de noyaux de massse moyenne, des noyaux riches en protons tel 100 Sn seront accessibles Z = 20 Z = 28 N = 8 N = 20 N = 28 12 Reflets de la Physique n°59 SPIRAL2 Phase 1 + S 3  : Les intensités des faisceux primaires permettront au GANIL de devenir compétitif dans la course aux noyaux superlourds. Z = 50 N = 50 nombre de neutrons N N = 82 Z = 82 SPIRAL1  : Domaine actuel d’ions radioactifs produits par fragmentation N = 126 SPIRAL2 Phase 2  : Grâce à la fission, des noyaux exotiques riches en neutrons seront produits en quantité record N = 152 Ilot de stabilité (uranium, thorium) Ilot de stabilité de noyaux superlourds ? 1. Carte des noyaux en fonction de leurs nombres de protons (Z) et de neutrons (N), avec localisation des régions de noyaux radioactifs qui seront accessibles avec la future installation SPIRAL2 au GANIL. Les noyaux existant à l’état naturel, situés au voisinage de la « vallée de stabilité », sont représentés en rouge (s’ils sont accélérés au GANIL) ou en noir. Les noyaux exotiques produits ou qui seront produits au GANIL sont indiqués en vert. Pour comparaison, la région de noyaux radioactifs produits avec les installations actuelles du GANIL, dont SPIRAL1, est reportée. » > Au GANIL, l’exploration de la matière nucléaire a commencé en 1983. De très nombreux résultats obtenus depuis cette date ont fait progresser nos connaissances, mais il reste encore de grandes questions sur l’origine et les propriétés de la matière. Où et comment sont produits les atomes qui constituent notre monde ? Après le Big Bang originel, survenu il y a 13,8 milliards d’années, la matière alors présente s’est refroidie pour donner en germe les particules constituant les noyaux atomiques. Pour comprendre leur (nucléo)synthèse ainsi que leur abondance relative, il est nécessaire d’étudier les processus qui, dans les étoiles, permettent de produire des noyaux atomiques. Cette compréhension passe par l’étude de noyaux de synthèse, produits par collisions violentes entre noyaux stables, seuls disponibles sur Terre. Lors de la collision des faisceaux d’ions avec une cible, quelles informations pouvons-nous obtenir sur la forme des noyaux produits, l’organisation de leurs nucléons, ainsi que sur les interactions entre protons et neutrons au cœur de l’atome ? D’où provient l’existence des noyaux « magiques », particulièrement robustes lorsqu’ils possèdent certains nombres de neutrons ou de protons, et comment évoluent-ils lorsque les noyaux comptent un très grand excès des uns ou des autres ? Comment former des éléments encore plus lourds que l’oganesson, noyau contenant le plus grand nombre de protons (118) observé à ce jour ? Peut-on former des noyaux « superlourds », comportant plus de 120 protons ? Ces recherches passent par la production et l’observation de noyaux dits « exotiques », puisqu’absents naturellement de notre monde. Cette exploration, entamée il y a moins d’un siècle (Rutherford, Cockroft et Walton...), a déjà permis d’étudier près de trois mille noyaux exotiques (sans pour autant pouvoir tous les caractériser finement), alors que la théorie prédit l’existence de cinq à sept mille noyaux (fig. 1). Regardons la figure 1. Sur une ligne de nombre atomique Z donné (échelle verticale), lorsque partant de ces noyaux stables l’on parcourt l’échelle horizontale en diminuant le nombre de neutrons (« noyaux riches en protons ») ou en augmentant ce nombre (« noyaux riches en neutrons ») , on obtient un noyau de plus en plus « exotique ». À mesure que l’on s’éloigne de la « vallée de stabilité », produire un noyau devient de plus en plus difficile, et
sa durée de vie diminue rapidement jusqu’à ce que soient atteintes les « limites d’existence » de la matière nucléaire. L’installation SPIRAL2 va permettre d’atteindre des régions de la carte des noyaux peu explorées jusqu’ici, en particulier celle des « noyaux superlourds » tout en haut de la carte. L’attention des physiciens nucléaires s’est tout d’abord portée sur les noyaux exotiques légers, plus simples à produire du fait de la proximité des limites d’existence des noyaux. Pour permettre aux physiciens de progresser vers des régions plus exotiques encore, et faire de ces noyaux exotiques de nouveaux projectiles, des installations dédiées à la production de faisceaux d’ions exotiques ont été construites [1] (ISOLDE au CERN en Suisse, TRIUMF au Canada, puis SPIRAL1 au GANIL au début des années 2000). L’installation SPIRAL2 s’inscrit dans cette démarche. Son but est de disposer au sein du GANIL d’une association unique d’instruments permettant d’étendre la SPIRAL2 Salle NFS Accélérateur linéaire supraconducteur Futur injecteur Q/A = 1/7 Production de faisceaux radioactifs par fission de l’uranium (phase 2) Spectromètre haute résolution palette de noyaux exotiques produits et assemblés en faisceaux de grande qualité, de manière à permettre leur étude avec une grande précision. En complément, d’autres expériences de physique nucléaire pourront se faire également avec des faisceaux de neutrons intenses et collimatés pour induire des réactions nucléaires, dont la fission. En plus des recherches en physique nucléaire, SPIRAL2 permettra aussi des recherches en physique atomique, en physique des matériaux et en radiobiologie. La première phase du projet a consisté en la construction d’un accélérateur linéaire et de deux salles d’expériences  : NFS (Neutrons For Science) et S 3 (Super Séparateur Spectromètre). L’accélérateur linéaire de SPIRAL2 sera capable de produire une grande variété de faisceaux d’ions d’isotopes stables, allant du proton (Z = 1) jusqu’au nickel (Z = 28). Les faisceaux d’ions légers (protons, deutons), qui ne sont pas disponibles actuellement au GANIL, serviront surtout à produire des faisceaux Salle S 3 Cyclotron post-accélérateur CIME (pour ions radioactifs) Plateforme DESIR Installation SPIRAL1 Production de faisceaux NFS  : Neutrons For Science radioactifs S 3  : Super Séparateur Spectromètre CIME  : Cyclotron pour Ions de Moyenne Énergie DESIR  : Désintégration, Excitation et Stockage d’Ions Radioactifs SPIRAL  : Système de Production d’Ions Radioactifs Accélérés en Ligne Avancées de la recherche de neutrons alimentant la salle NFS. Les faisceaux d’ions « lourds » (depuis l’hélium jusqu’au nickel dans la première phase) généreront, par interaction avec une cible, des faisceaux d’ions radioactifs d’une intensité exceptionnelle (10 à 100 fois plus que celles des faisceaux produits par le GANIL actuel) qui seront utilisés dans la salle S 3. Cette phase 1 sera complétée à partir de 2023 par la plateforme DESIR (Désintégration, Excitation et Stockage d’Ions Radioactifs) puis, plus tard, par le futur injecteur Q/A = 1/7 (Q  : charge de l’ion, A = Z + N  : nombre de nucléons), qui permettra d’accélérer jusqu’à l’uranium 238. Enfin, une seconde phase du projet prévoit la production et l’étude de faisceaux d’ions radioactifs produits par fission d’une cible de carbure d’uranium, ces faisceaux étant post-accélérés et étudiés dans l’installation GANIL originelle. À terme, les deux installations GANIL et SPIRAL2 n’en feront alors plus qu’une, comme illustré par la figure 2. Aires expérimentales du GANIL actuel Cyclotrons (pour ions stables) 2. Schéma de l’installation du GANIL après construction de SPIRAL2, incluant la phase 2 (bâtiment de production de faisceaux radioactifs, par fission de l’uranium, dont le calendrier de construction n’est pas encore arrêté). La surface totale du GANIL sera alors presque doublée (de 11 000 à environ 20 000 m²). Sont représentés en rouge les chemins possibles des faisceaux de SPIRAL2, et les chemins possibles pour les faisceaux actuels du GANIL. » > Reflets de la Physique n°59 13



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