Matière nucléaire

L’équipe Matière Nucléaire étudie la structure des noyaux atomiques à travers notamment la détection des photons gamma émis par ces derniers. Ces recherches nous permettent de mieux connaître la matière qui nous entoure ainsi que les éléments exotiques impliqués en particulier dans certains phénomènes astrophysique.

Au cœur de la matière qui nous entoure, les noyaux atomiques sont des objets microscopiques mais complexes. Les nucléons qui les constituent sont liés par l’interaction fondamentale nucléaire forte, et suivent les lois de la physique quantique. Ainsi, un noyau peut se trouver dans différents états selon la répartition et le mouvement des nucléons. Au-delà de l’état fondamental – de plus basse énergie – il existe une multitude d’états excités. Les propriétés de ces états dépendent de l’interaction forte, et de la façon dont un système composite y réagit.

Nous utilisons la détection de rayonnement gamma – bien plus énergétique que la lumière visible – émis lorsqu’un noyau se désexcite : cette technique expérimentale permet d’étudier les états reliés par de telles transitions. Dans ce cadre, nous sommes impliqués dans le développement de nouveaux détecteurs gamma, plus efficaces et de haute résolution. Ces progrès sont indispensables pour l’étude des noyaux dits exotiques : ces noyaux, très instables, ne peuvent être produits qu’en faibles quantités. Bien qu’absents sur Terre, ils sont impliqués dans les processus astrophysiques, notamment les supernovæ, qui ont permis la production des noyaux constituant la matière ordinaire. L’étude de ces processus de nucléosynthèse fait aussi partie de nos activités.

Le cœur de notre activité de recherche réside dans l’analyse de données, issues principalement de multi-détecteurs de rayonnements gamma installés au sein d’infrastructures internationales.
Deux axes majeurs sont privilégiés :

• La caractérisation d’états extrêmes du noyau atomique
• La compréhension des mécanismes de nucléosynthèse des éléments

Les analyses réalisées sont complexes, elles s’accompagnent d’une activité de recherche et développement de méthodes performantes et innovantes.

• Développement de méthodes d’analyse

Caractérisation d’états extrêmes du noyau atomique

Le noyau atomique est un système quantique à N corps composé de protons et de neutrons dont on peut varier la composition en se déplaçant le long de la carte des noyaux. C’est donc un parfait laboratoire pour étudier l’interaction nucléaire. Nos connaissances à ce sujet ont d’abord été établies à partir des études expérimentales sur les noyaux stables. Mais lorsque l’on s’éloigne de la vallée de stabilité, de nouveaux phénomènes peuvent apparaître et permettent de sonder la matière nucléaire dans ses conditions extrêmes en spin, isospin et énergie d’excitation. Ces noyaux dits « exotiques » sont généralement déformés (la distribution spatiale des nucléons n’est plus sphérique), et permettent d’investiguer les effets de couches associés aux degrés de libertés de vibration et/ou rotation de la surface du noyau. Les modèles théoriques incluant des degrés de liberté de déformation ont très rapidement suggéré que ces effets de couches étaient fortement corrélés à la forme que peut adopter un noyau.

La spectroscopie gamma haute résolution est une des différentes approches expérimentales permettant d’accéder aux propriétés nucléaires de ces noyaux. Le groupe est impliqué dans de nombreux projets internationaux majeurs dans ce domaine tel que le projet européen AGATA. De tels détecteurs, couplés à des installations délivrant des faisceaux de noyaux accélérés (GANIL, LNL, GSI…), permettent de sonder les propriétés de noyaux non présents naturellement sur Terre, créés artificiellement lors de collisions nucléaires et dont la durée de vie est de quelques fractions de secondes. La mesure de l’énergie des rayonnements gamma émis lors de la désexcitation de ces noyaux nous permet de remonter à leurs propriétés, dont la connaissance est essentielle pour améliorer les modèles théoriques.

Mécanismes de nucléosynthèse des éléments

Différents processus de nucléosynthèse ont formé les noyaux atomiques composant la matière qu’on peut observer dans le système solaire, la Galaxie et l’Univers. À l’issue des premières minutes suivant le Big-Bang, les noyaux formés par la nucléosynthèse primordiale sont très majoritairement des noyaux d’hydrogène et d’hélium 4, accompagnés de quelques autres noyaux légers. Au-delà, l’existence de noyaux tels que le carbone, l’oxygène, le fer, etc., est due en quasi-totalité à la formation et à l’évolution d’étoiles de différentes sortes. Les plus massives d’entre elles notamment accomplissent en leur cœur des fusions de noyaux aboutissant à la région du fer (noyaux ayant la plus forte énergie de liaison). Il devient ensuite impossible de produire de l’énergie par fusion nucléaire, et l’étoile s’effondre sur elle-même : il se produit une explosion appelée supernova de type II (ou supernova à effondrement de cœur). Les couches extérieures rebondissent sur le cœur compact et leur éjection disperse dans le milieu interstellaire les éléments produits par l’étoile. Ce ne sont pas seulement les noyaux produits par fusion, mais aussi des noyaux plus lourds, au-delà de la région du fer, qui ont été formés par différents processus au cours de la vie de l’étoile et lors de son explosion. D’autres évènements conduisent à la production et à la distribution de noyaux formés dans les étoiles : la coalescence d’étoiles à neutrons (cœurs refroidis de supernovæ de type II), ou encore les explosions qui se produisent dans les systèmes binaires suite au flux de matière d’une étoile sur l’autre.

Nos activités de recherche en nucléosynthèse sont axées sur les processus explosifs, qui ont la particularité d’impliquer des noyaux exotiques. La courte durée de vie de ces noyaux rend leur étude difficile, une très vaste partie d’entre eux est inconnue expérimentalement et mal connue en théorie. Nous nous intéressons en particulier à la nucléosynthèse par processus p, qui décrit comment ont pu apparaître les noyaux stables occupant le versant riche en protons de la vallée de stabilité (qui est l’ensemble des noyaux dont le nombre de protons et de neutrons s’équilibre pour former un système stable). Les scénarios décrivant ce processus mettent en jeu des dizaines de milliers de réactions, dont la majorité est hors de portée expérimentale. Les modèles théoriques employés pour les modéliser ont cependant besoin d’être ajustés à l’aide de mesures expérimentales sur des réactions cruciales. Dans ce cadre, nous sommes impliqués dans des campagnes de mesures permettant d’améliorer la connaissance des sections efficaces et des paramètres nucléaires qui permettent de les calculer à partir du modèle statistique de Hauser Feschbach : potentiels optiques, densités de niveaux, forces de décroissance gamma. Concernant la mesure des sections efficaces, nous mettons en œuvre notre expertise en matière de détection gamma pour développer des approches dites « in-beam », qui permettent de détecter le noyau issu d’une réaction au moment de sa production, grâce à sa désexcitation par rayonnements gamma. Deux techniques sont étudiées : la méthode du pic somme, basée sur la calorimétrie (détection de l’ensemble du rayonnement émis par un noyau), et la méthode de la distribution angulaire, basée sur la spectroscopie (identification des raies émises et mesure de leur intensité en fonction de l’angle d’émission).

Développement de méthodes d’analyse

Les réactions nucléaires utilisées dans le cadre de nos activités de recherche produisent de grandes quantités de données qu’il convient de traiter pour en extraire les évènements les plus rares. La chaîne de transformation des données brutes s’avère complexe également : maîtriser l’intégralité de cette chaîne est primordial pour s’assurer que les interprétations délivrées dans les publications soient solides.

Dans ce contexte, nous œuvrons pour développer, au sein de notre groupe et en collaboration avec des services support de l’institut, des pôles d’expertise. Le premier concerne la simulation, outil indispensable pour construire les détecteurs du futur, comprendre et optimiser leur fonction de réponse, mais aussi pour maîtriser des analyses complexes. La mise en œuvre et le développement de programmes informatiques générateurs de physique s’inscrit aussi dans un tel pôle. GEANT4, développé par le CERN, est l’environnement principal qui nous permet de réaliser ces tâches. Jusqu’ici, notamment via l’outil SToGS, basé sur GEANT4, que nous avons développé, nous avons pu par exemple :

• Contraindre le design du calorimètre gamma PARIS
• Réaliser des simulations réalistes d’expériences avec AGATA
• Préparer des campagnes de mesures pour l’astrophysique nucléaire

Le second pôle est axé sur toutes les problématiques liées à l’analyse de données : méthodes de traitement, stockage, outils, algorithmes. De nombreuses briques logicielles ont été développées, principalement en utilisant le langage orienté objet C++ et l’environnement ROOT, pour permettre le traitement des données notamment issues du spectromètre AGATA. Ces briques sont autant de projets qui reposent sur une infrastructure hébergée sur un serveur git. Bien entendu, lorsqu’elles sont liées à des responsabilités au sein de collaborations internationales, ces briques logicielles sont mises à jour pour tenir compte des évolutions matérielles et logicielles qui permettent d’accélérer les temps de traitement ou de rendre plus efficace un algorithme. Le développement d’algorithmes, qui peuvent s’exécuter dans de telles briques logicielles, fait partie intégrante de nos activités. Ces études nous ont permis par exemple de :

• Mettre en œuvre la logique floue pour calibrer automatiquement des détecteurs
• Utiliser la théorie de graphes pour manipuler les schémas de niveaux
• Mettre en œuvre des techniques de Machine Learning, des réseaux de neurones, pour effectuer la discrimination gamma-neutron dans les modules du détecteur de neutrons NEDA

Présentation générale

AGATA (pour “Advanced GAmma-ray Tracking Array”) est un projet européen dont la France est l’un des acteurs principaux. L’ambition est de construire, maintenir, améliorer et exploiter un nouveau type de détecteur de rayonnements gamma (photons). Le défi expérimental consiste à :

• Collecter précisément (en position ~5mm et énergie ~0,1%) les impacts laissés dans le détecteur par les interactions successives de l’ensemble des rayonnements émis par une réaction nucléaire
• Reconstruire à partir de ces points les trajectoires réelles laissées par chaque photon

La brique de base est un cristal semi-conducteur de Germanium hyper pur (cylindre d’environ 10cm par 10cm) segmenté électriquement en 36 segments (6 tranches, 6 secteurs), chaque segment étant donc sensible à une partie seulement du volume actif. Un trente septième signal est généré par l’ensemble du volume actif. Les signaux sont tous numérisés (à une fréquence de 100Mhz) et transférés vers des fermes d’ordinateurs pour y être traités.

• Un premier algorithme, nommé PSA pour « Pulse Shape Analysis », digère les 37 signaux pour en extraire une liste de points d’interaction pour chaque cristal
• Un deuxième, l’algorithme de « tracking », se base sur l’ensemble des points dans tous les cristaux pour reconstruire les trajectoires des différents rayonnements gamma

Le détecteur s’agrandit peu à peu depuis 2009 pour couvrir de plus en plus d’espace autour de la cible où ont lieu les réactions. Ce processus s’accompagne de phases de renouvellement des éléments du détecteur que ce soit des éléments matériels (électronique, mécanique…) ou logiciels (système d’acquisition, programmes d’analyse et de traitement des données…). Le détecteur, nomade, se déplace auprès des plus grands accélérateurs de physique nucléaire. Il a commencé son cycle de vie à Legnaro en Italie, il est passé ensuite par GSI (Darmstadt, Allemagne) puis par le Grand Accélérateur National d’Ions Lourds GANIL situé en France à Caen.

AGATA à l’IP2I

Le groupe Matière Nucléaire de l’IP2I est impliqué dans le projet AGATA depuis le début, bien avant les premières prises de données : il a plusieurs responsabilités dans ce projet international.

L’activité principale menée est le développement, la mise en œuvre et l’amélioration de briques logicielles pour le détecteur AGATA mais aussi pour les détecteurs associés qui sont différents d’un site expérimental à l’autre. Notre groupe a ainsi contribué significativement :

• Au Technical Design Report d’AGATA en réalisant des simulations réalistes montrant le gain fort par rapport aux spectromètres de la génération précédente
• En mettant en œuvre l’infrastructure logicielle (git, cmake, intégration continue…) pour gérer les briques permettant le traitement en ligne et hors ligne des données
• En développant les interfaces logicielles d’intégration des données et des algorithmes [Gw/ADF] que ce soit dans l’environnement d’acquisition ou hors ligne
• En développant de nouvelles briques pour le traitement et l’analyse des données. Ex :
  • GammaWare : suite logicielle générale pour la spectroscopie gamma
  • GANPRO : briques logicielles pour le traitement des données de GANIL
  • AGASPY : monitoring en ligne des données
  • Gw/Cubix : interface graphique pour l’analyse de données

L’ensemble de ces briques logicielles est hébergé dans sur l’infrastructure gitlab du centre de calcul de l’IN2P3.

Les données attachées au détecteur, outre celles collectées lors d’une expérience, doivent être accessibles à tout moment et conservées sur le cycle de vie du détecteur voire au-delà. Notre groupe est impliqué à deux niveaux sur cette problématique.

1. Nous avons mis en place, avec le soutien du service informatique de l’IP2I, une base de données de suivi des éléments matériels constituants le détecteur. Les pièces les plus importantes sont étiquetées avec un code-barres qui permet de retrouver, à travers une interface graphique développées à l’IP2I, un ensemble d’informations actuelles ou passées, ce qui permet de voyager dans l’historique. Ainsi les déplacements d’un site à un autre sont gérées comme le sont par exemple les colis délivrés par les grandes plateformes de commerce. Les résultats de tests, de réparations, les compositions/décompositions de parties d’objets complexes, toute information pertinente (le système est extensible) sont enregistrés et conservés au cours du temps.
2. Les données produites par le détecteur peuvent être massives (plusieurs tera octets pour une expérience d’une semaine). Ces données sont transférées du site de production (où est utilisé le détecteur) vers deux grands centres informatiques pour y être hébergées. Le premier, CCIN2P3, est situé en France à Villeurbanne (Lyon), le deuxième étant à Bologne en Italie. Mettre en œuvre les outils de transfert de ces données vers et depuis les centres de stockages est une des charges assumée par notre groupe de recherche.

Les outils de traitements et d’analyse de données développés par notre laboratoire sont diffusés à l’ensemble de la communauté lors d’écoles internationales auxquelles nous participons régulièrement voire même que nous organisons.

Nous sommes bien sûr aussi des utilisateurs privilégiés de nos outils ce qui nous permet d’analyser et publier rapidement nos résultats. Voir par exemple :

• Une publication grand public
• Deux publications scientifiques récentes du groupe : 96Kr et 81Ga

Notre action est aussi tournée vers l’amélioration des systèmes et c’est tout naturellement que notre groupe s’oriente vers les technologies du futur comme celles portées par l’Intelligence Artificielle et plus précisément les technologies de Machine Learning.

Des tâches plus ponctuelles sont aussi réalisées pour l’intérêt du projet par les services techniques de l’IP2I, telle que la chambre à réaction visible sur les figures 1 et 2.

Chambre à réactions pour la campagne AGATA-NEDA-DIAMANT (GANIL, Caen – 2018) réalisée par le service mécanique de l’IP2I. À gauche : conception ; à droite : réalisation. Projet à fortes contraintes : détecteur de particules chargées légères DIAMANT situé profondément à l’intérieur de la chambre et utilisation d’un support en fibre de carbone pour le détecteur de neutrons NEDA. – © AGATA-IP2I

Pour en savoir plus

Site AGATA France : http://agata.in2p3.fr
Site Officiel AGATA : https://www.agata.org/
Site officiel de la collaboration GRETINA (projet similaire à AGATA mais aux États-Unis) : http://gretina.lbl.gov/

Présentation générale

PARIS (pour « Photon Array for studies with Radioactive Ion and Stable beams ») est une collaboration internationale dont la France (CNRS-IN2P3 et CEA) est l’un des contributeurs principaux. La phase de recherche et développement a pu se concrétiser notamment grâce à un financement de l’ANR (ANR PROVA). Ce détecteur, même s’il est nomade dans sa conception, est lié au projet d’accélérateur GANIL/SPIRAL2 qui, dès son élaboration, a motivé la construction d’un calorimètre gamma de nouvelle génération pour la physique nucléaire basse énergie. L’objectif, établi sur la base de plusieurs lettres d’intention déposées dans le cadre de GANIL/SPIRAL2, était de construire un calorimètre gamma de grande efficacité (sur une gamme allant jusqu’à quelques dizaines de MeV), de granularité élevée tout en ayant une résolution optimale en énergie et en temps.

Le choix s’est porté sur des scintillateurs innovants (LaBr3 ou CeBr3) produits par la compagnie Saint-Gobain puis par SCIONIX. Ces matériaux récents garantissent efficacité et résolution pour les rayonnements gamma de basses énergies (jusque quelques MeV). Afin d’augmenter l’efficacité pour les rayonnements gamma de plus hautes énergies, ces matériaux ont été couplés optiquement avec un scintillateur plus standard (NaI) comme on peut le voir sur la figure suivante (à gauche). En bleu la partie (LaBr3 ou CeBr3), cube dont l’arête est de 2 pouces, suivie de la partie NaI en rouge de profondeur 6 pouces. En vert on peut voir la trace simulée d’un rayonnement gamma déposant de l’énergie (aux points de rupture de la trace) dans les deux couches.

L’ensemble est lu par un photomultiplicateur unique (situé au bout de la partie NaI) comme on peut le voir sur la figure (photographie au centre). Les signaux lumineux (photons visibles) générés par les dépôts d’énergie du rayonnement gamma y sont collectés et convertis en signal électrique. Le signal global doit donc être déconvolué pour séparer la composante LaBr3 (ou CeBr3) de la composante NaI. Ceci est possible car ces matériaux ont des temps de scintillation différents. Ces briques de base sont généralement regroupées en structures compactes (matrices 3×3) comme illustré sur la figure (à droite).

Cette modularité permet de diversifier les assemblages (voir paragraphe suivant) afin de répondre aux différentes exigences expérimentales inclues dans le cahier des charges du multi-détecteur PARIS. L’objectif de la collaboration est d’obtenir à terme plus de deux cent unités de détection.

PARIS à l’IP2I

L’IP2I est impliqué dans le projet PARIS depuis le début notamment dans la rédaction du cahier des charges et par les simulations réalisées pour appuyer toute la phase de R&D. Nos responsabilités sur la scène internationale (« management board ») et nationale (ANR PROVA) portent logiquement sur la mise en œuvre de simulations.

La première étape a été l’élaboration d’un environnement de simulation (basé sur GEANT4) afin de réaliser les études nécessaires à la phase de conception. La solution que nous avons développée a abouti depuis à un outil plus complet, SToGS (« Simulation Toolkit fOr Gamma-ray Spectroscopy »), dont l’objectif est de couvrir l’ensemble des besoins pour la détection de rayonnements gamma, tant dans les phases de design que dans les phases d’exploitation.

Les principales contributions lors de la phase de conception ont été :

• de démontrer qu’un détecteur basé sur le concept de deux couches de scintillateurs couplées optiquement pouvait répondre au cahier des charges.
• de fixer des limites acceptables sur le design du multi-détecteur et des briques de base.
• d’établir les fonctions de réponse théoriques du détecteur.
• d’étudier des effets non-linéaires de collection du signal lumineux dans le couplage optique LaBr3 et NaI.

Sur ce dernier point, des mesures, réalisées par les autres laboratoires français impliqués dans PARIS (Orsay, Strasbourg, Caen), ont montré une dépendance du signal collecté par le photomultiplicateur en fonction de la profondeur à laquelle le rayonnement gamma dépose de l’énergie. Ceci est illustré sur la figure suivante (partie gauche) qui montre comment une source collimatée et déplacée le long du détecteur permet d’étudier la fonction de réponse de l’élément en fonction de la profondeur d’interaction.

Lorsque le rayonnement gamma dépose de l’énergie, celle-ci est convertie par le scintillateur en un grand nombre de photons de lumière visible émis isotropiquement (illustration sur la figure centrale) : ils se déploient dans le module et sont alors réfléchis par l’enveloppe réfléchissante qui entoure la presque intégralité du détecteur (figure centrale et droite) avant d’être absorbés – pour ceux qui y parviennent – par la photocathode du photomultiplicateur. Grâce aux simulations réalisées nous avons pu expliquer les effets non-linéaires observés. Nous avons aussi pu comprendre la perte de résolution intrinsèque du LaBr3 (de 3% à 4%) : la différence d’indice optique entre les deux matériaux piège la lumière qui peine à passer la surface de séparation de la partie LaBr3 vers la partie NaI. Ces travaux ont fait l’objet de plusieurs stages M2 qui peuvent être trouvés ici.