Thèse Étude des Propriétés Collectives Nucléaires du 232Th avec le Spectromètre Agata H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation
Laboratoire de recherche : Département de physique nucléaire - DRF/IRFU
Direction de la thèse : Wolfram KORTEN ORCID 0000000239400816
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59

Le cadre général de ce sujet est la structure nucléaire et plus particulièrement l'étude de la collectivité du 232Th. Cette étude fait partie d'un programme expérimental portant sur les propriétés collective du noyau atomique réalisé par notre groupe. Nous combinons plusieurs techniques expérimentales complémentaires : l'identification des états excités et l'analyse de leur décroissance grâce à la spectroscopie gamma de haute résolution, la mesure directe des durées de vie des états excités et, finalement, l'excitation coulombienne, qui permet de mesurer directement la distribution de charge (donc la forme) des noyaux étudiés. L'information sur la structure des états excités obtenue grâce à la combinaison des mesures variées permet de tester finement les modèles théoriques de structure de noyau.

La forme du noyau, c.à.d. la déviation par rapport à une forme sphérique de la distribution en masse et en charge, est une de ses propriétés fondamentales. Elle est gouvernée par des effets macroscopiques (i.e. son comportement comme une goutte liquide) aussi bien que microscopiques, tels que la structure en couches du noyau. Leur compétition est à l'origine des changements de forme rapides des noyaux qui sont parfois observés en fonction du nombre de nucléons.

Loin des couches fermées, les noyaux se déforment pour minimiser leur énergie potentielle et ils prennent le plus souvent une forme d'ellipsoïde allongée. Les noyaux très lourds, les actinides, sont fortement déformés dans leur état fondamental et leurs états excités présentent un schéma particulier, des « bandes rotationnelles » semblables à celles des molécules. Ces bandes peuvent être construites à partir d'états présentant différents degrés de déformation (« coexistence de formes ») [1,2] ou être liées à d'autres degrés de liberté, par exemple les vibrations de la surface nucléaire.

Dans le noyau 232Th plusieurs bandes rotationnelles ont été observées par le passé, mais leur nature réelle est une question qui se pose depuis longtemps [3]. La thèse se focalisera sur l'étude expérimentale des propriétés du 232Th en utilisant la technique puissante de l'excitation coulombienne [4], qui est la méthode la plus directe pour déterminer les formes des noyaux dans leurs états excités. Dans ce processus de diffusion quasi-élastique de deux noyaux, le champ électro-magnétique qui agit entre eux est à l'origine de leur excitation. Ensuite, les noyaux se désexcitent immédiatement en émettant des photons qui sont mesurés à l'aide des spectromètres gamma entourant la cible. Si la distance d'approche entre le projectile et la cible pendant le processus de diffusion est suffisamment grande, l'interaction nucléaire à courte portée peut être négligée et l'excitation peut être décrite à l'aide de l'interaction électro-magnétique, dont toutes les propriétés sont connues. En conséquence, les sections efficaces de population des états excités mesurées dans les expériences d'excitation coulombienne peuvent être directement reliées aux moments statiques et dynamiques de la distribution de charge, c'est-à-dire à la forme, des noyaux étudiés.

Dans cette expérience nous utiliserons AGATA [5,6], un détecteur de rayons gamma de nouvelle génération, constitué d'un grand nombre de cristaux multi-segmentés de germanium, qui nous permet d'identifier chaque interaction d'un rayon gamma dans les détecteurs, puis, en utilisant la technique de gamma-ray tracking de reconstruire avec une très haute résolution les énergies et les angles d'émission de tous les rayons gamma émis. Ce spectromètre gamma très puissant, d'une efficacité et d'une sensitivité inégalées, a été conçu par une grande collaboration de 13 pays européens et il est actuellement installé au Laboratori Nazionali di Legnaro (Italie) où se déroulera l'expérience. Une deuxième expérience aura lieu au laboratoire d'ions lourds (HIL) de l'université de Varsovie.

The project enters in the more general question of how collective properties of the atomic nucleus evolve and can be described theoretically.

Determine the electro-magnetic transition strengths of key nuclei exhibiting multiple degrees of collectivity (rotation, vibration etc.), such as 232Th and compare them to nuclear model predictions.

Our group has been running an experimental programme in Coulomb excitation, in which we are world-reknown experts. In these experiments inelastically scattered nuclei are detected by a range of particle detectors and the gamma rays from the deexcitation process are detected in a high-resolution gamma spectrometer made up of Germanium detectors. With these data, it is possible to extract the excitation probability for each excited state and as a function of the scattering angle, which can then be used to extract a set of electromagnetic matrix elements and their static quadrupole moment, which in turn can be used determines the shape of the nucleus in its ground state and in different states of excitation.