Surrogate neutron-capture studies with fission detection in inverse kinematics at the ESR storage ring

Cet article présente la mise en œuvre et les performances d'un nouveau système de détection de fragments de fission intégré à l'expérience NECTAR au stockage ESR, permettant pour la première fois dans une étude de réaction substitutive la détection simultanée de résidus de désintégration γ, de résidus à émission multiple de neutrons et de fragments de fission lors de l'interaction d'un faisceau d'ions uranium avec une cible de deutérium.

L'essentiel

🕵️‍♂️ L'Enquête : Comprendre le cœur des atomes lourds

Imaginez que vous voulez étudier comment un objet très fragile et dangereux (comme un noyau d'uranium radioactif) réagit quand il est touché par un petit caillou (un neutron). Le problème ? Ces objets sont souvent si instables qu'ils disparaissent avant même que vous puissiez les toucher directement. C'est comme essayer de prendre la température d'une étoile qui s'éteint en une seconde.

Pour contourner ce problème, les scientifiques utilisent une méthode appelée "réaction de substitution" (ou surrogate). Au lieu de lancer un neutron sur l'uranium, ils utilisent une astuce : ils lancent un "faux neutron" (en réalité, un noyau de deutérium) sur un gros noyau d'uranium qui est déjà en mouvement. Cela crée le même état d'excitation, mais dans des conditions que l'on peut contrôler.

🏎️ Le Circuit de Formule 1 : L'anneau de stockage ESR

Pour faire cette expérience, les chercheurs ont utilisé un accélérateur de particules appelé ESR à Darmstadt (Allemagne).

• L'analogie : Imaginez un circuit de Formule 1 géant et circulaire. Au lieu de voitures, ce sont des atomes d'uranium (les "voitures") qui tournent à une vitesse folle, presque celle de la lumière.
• La particularité : Habituellement, on lance les projectiles contre une cible fixe (comme une voiture qui percute un mur). Ici, c'est l'inverse (cinématique inverse) : la cible est une petite goutte de gaz (de l'hydrogène lourd, ou deutérium) placée sur la piste, et les atomes d'uranium viennent percuter cette cible en passant.

🛠️ La Nouvelle Arme : Le Détecteur de Fission

Jusqu'à présent, cette expérience (appelée NECTAR) pouvait voir deux choses :

1. Les atomes qui émettaient de la lumière (rayons gamma).
2. Les atomes qui perdaient des neutrons.

Mais il manquait une pièce cruciale du puzzle : la fission. Quand un noyau lourd se brise en deux (comme une grenade qui éclate), il produit des fragments. Sans voir ces éclats, on ne pouvait pas comprendre tout le comportement du noyau.

La solution apportée par ce papier :
Les chercheurs ont construit un nouveau système de détection, comme une toile d'araignée invisible placée juste après le point d'impact.

• Le défi : L'anneau de Formule 1 doit rester sous vide parfait (comme l'espace). On ne peut pas coller de gros détecteurs dedans sans casser le vide.
• L'ingénierie : Ils ont créé des "poches" spéciales, comme des niches protégées derrière des vitres ultra-fines en acier inoxydable. Les fragments de fission traversent ces vitres sans les casser et atterrissent sur des capteurs sensibles.
• Le résultat : Pour la première fois, ils peuvent voir simultanément les atomes qui brillent, ceux qui perdent des neutrons, et ceux qui explosent en deux. C'est comme si, lors d'un accident de voiture, vous pouviez voir à la fois les débris, la fumée et les passagers en même temps.

🎯 Comment ça marche en pratique ?

1. Le Tir : Un faisceau d'uranium tourne dans l'anneau.
2. L'Impact : Il traverse un jet de gaz deutérium. Parfois, l'uranium capture un proton (devenant Uranium-239 excité) ou perd de l'énergie (Uranium-238 excité).
3. La Décision du Noyau : Le noyau excité est instable. Il doit se calmer. Il a trois choix :
   • Émettre de la lumière (Gamma).
   • Cracher un ou plusieurs neutrons.
   • Se briser en deux (Fission).
4. La Capture :
   • Un télescope (un détecteur en forme de télescope) regarde les petits projectiles sortants pour savoir quel type de collision a eu lieu.
   • Les nouveaux détecteurs de fission attrapent les gros éclats.
   • Un détecteur spécial au bout de la piste attrape les atomes d'uranium qui ont survécu à l'épreuve.

📊 Les Résultats : Une Carte au Trésor

En analysant les données, les scientifiques ont pu :

• Voir les éclats : Ils ont confirmé que leurs détecteurs fonctionnent parfaitement, capturant environ 64 % des explosions (ce qui est énorme pour ce type de physique).
• Distinguer les voies de sortie : Ils ont pu séparer clairement les atomes qui ont émis un neutron, deux neutrons, ou qui ont explosé.
• Une découverte unique : Ils ont même pu repérer les atomes qui proviennent de la "cassure" du projectile (le deutérium) plutôt que de la réaction principale. C'est comme si, dans un match de football, vous pouviez distinguer les buts marqués par l'équipe adverse de ceux marqués par votre propre équipe qui a trébuché.

🌟 Pourquoi c'est important ?

Cette avancée est cruciale pour l'avenir de l'énergie nucléaire et la sécurité des déchets.

• Le but : Mieux comprendre comment les noyaux lourds capturent des neutrons.
• L'application : Cela aide à concevoir des réacteurs nucléaires plus sûrs et plus efficaces, et à comprendre comment les éléments lourds sont créés dans les étoiles (la nucléosynthèse).

En résumé : Cette équipe a transformé un circuit de Formule 1 atomique en un laboratoire de précision ultime. En ajoutant de nouveaux "capteurs de crash", ils peuvent enfin voir tous les détails de ce qui se passe quand un atome lourd est excité, ouvrant la voie à une compréhension plus complète de la matière qui compose notre univers.

Résumé technique

Titre : Études de capture neutronique par réaction de substitution avec détection de fission en cinématique inverse au stockage d'ions ESR

1. Problématique

La détermination des sections efficaces des réactions induites par des neutrons sur des noyaux lourds (en particulier ceux à vie courte ou hautement radioactifs) est cruciale pour la physique nucléaire fondamentale et les applications énergétiques. Cependant, les mesures directes sont souvent impossibles.

• Limitation des méthodes actuelles : La technique de réaction de substitution (surrogate reaction) est une alternative puissante, mais elle est traditionnellement réalisée en cinématique directe. Les configurations existantes peinent à mesurer simultanément toutes les voies de désintégration (désintégration $\gamma$, émission de neutrons et fission) avec une haute précision.
• Défaut spécifique du programme NECTAR précédent : Les premières expériences NECTAR (2022) au stockage d'ions ESR (GSI) ont démontré la faisabilité de la cinématique inverse pour mesurer les probabilités de désintégration $\gamma$ et d'émission de neutrons, mais elles souffraient de l'absence de détection directe des fragments de fission. Cela empêchait une détermination complète des probabilités de désintégration pour les systèmes fissiles.

2. Méthodologie

L'étude présente la conception, l'implémentation et la validation d'un nouveau système de détection de fragments de fission intégré à l'expérience NECTAR au stockage d'ions ESR de GSI (Darmstadt).

• Configuration Expérimentale :

  • Cible et Réaction : Un faisceau stocké d'ions nus $^{238}\text{U}^{92+}$ à 17,24 MeV/u interagit avec une cible interne de deutérium gazeux. Cela peuple des noyaux composés excités via les réactions $^{238}\text{U}(d,p)^{239}\text{U}^*$ et $^{238}\text{U}(d,d')^{238}\text{U}^*$.
  • Système de Détection Hybride : L'installation combine trois systèmes complémentaires :
    1. Télescope de particules légères (cible-like) : Placé à 60° dans le plan horizontal, il identifie les canaux de réaction (protons/deutons) et reconstruit l'énergie d'excitation. Il utilise un détecteur à silicium (DSSSD) en $\Delta E$ suivi d'une pile de détecteurs $E$.
    2. Détecteur de résidus de faisceau (beam-like) : Situé dans une section dispersive de l'anneau, il sépare les isotopes d'uranium restants selon leur rigidité magnétique après émission de neutrons ou de photons.
    3. Nouveau système de détection de fission : C'est l'élément central de cette mise à niveau. Il est placé en aval de la cible et comprend trois détecteurs :
       • Deux détecteurs identiques (haut et bas) par rapport à l'axe du faisceau.
       • Un détecteur latéral monté sur un système mobile à soufflet pour être rétracté pendant l'injection du faisceau et inséré près de l'axe pendant la prise de données.
  • Contraintes Techniques : Tous les détecteurs sont logés dans des poches derrière des fenêtres en acier inoxydable de 25 µm pour préserver le vide ultra-poussé de l'ESR.

• Outils de Simulation : La géométrie et l'efficacité ont été modélisées via des simulations Monte Carlo utilisant g4beamline et le code GEF (Gefal Fission Event Generator).

3. Contributions Clés

• Innovation Majeure : Première réalisation d'une expérience de réaction de substitution permettant la détection simultanée des résidus de désintégration $\gamma$, des résidus à émission multiple de neutrons et des fragments de fission.
• Conception du Détecteur de Fission : Développement de détecteurs à silicium à double face (DSSSD) sur mesure (Micron Semiconductor) adaptés aux contraintes de l'ESR.
  • Les détecteurs haut/bas (BB36) : 80 x 40 mm², 500 µm d'épaisseur.
  • Le détecteur latéral (BB29) : 122 x 40 mm², réutilisant l'électronique existante de l'expérience 2022.
• Gestion du Vide et de la Sécurité : Intégration d'un mécanisme de rétractation mobile pour le détecteur latéral, protégeant le détecteur lors de l'injection du faisceau tout en maintenant le vide ultra-poussé.

4. Résultats

• Efficacité de Détection : Les simulations et les données expérimentales confirment une efficacité intrinsèque de 100 % pour les fragments de fission traversant les fenêtres. L'efficacité géométrique globale de détection de fission est déterminée à environ 64 %.
• Validation Géométrique : La comparaison entre les distributions simulées et mesurées sur le détecteur latéral montre un excellent accord. On observe clairement un motif à deux anneaux correspondant à la détection des fragments légers et lourds issus du mode de fission asymétrique du $^{239}\text{U}$.
• Identification des Canaux de Désintégration :
  • Les spectres de résidus de faisceau permettent d'identifier distinctement les voies de désintégration : $\gamma$, émission d'un, deux et trois neutrons.
  • L'efficacité pour déterminer les probabilités d'émission de $\gamma$, de 1n et de 2n est de 100 %.
  • Une structure prononcée associée à la rupture du deutéron (breakup) est identifiée près de l'axe du faisceau, permettant de soustraire ce bruit de fond des probabilités de désintégration du noyau composé.
• Séparation des Isotopes : La corrélation entre la position dans le télescope cible et la position dans le détecteur de résidus permet de réduire le mélange des pics et d'isoler les différents isotopes d'uranium et leurs canaux de désintégration.

5. Signification

Ce travail représente une étape cruciale vers la mesure complète des réactions induites par neutrons sur des noyaux lourds en cinématique inverse.

• Complétude des Données : Pour la première fois, l'expérience NECTAR peut contraindre simultanément la densité de niveaux nucléaires (NLD), les hauteurs de barrière de fission et la fonction de force $\gamma$ ($\gamma$SF) en mesurant toutes les voies de désintégration compétitives.
• Impact sur la Modélisation : Ces données expérimentales précises serviront d'entrées critiques pour les modèles de réactions nucléaires, améliorant la fiabilité des calculs de sections efficaces de capture neutronique, essentiels pour la physique des réacteurs et l'astrophysique nucléaire.
• Faisabilité Technique : L'étude valide la capacité des anneaux de stockage d'ions lourds à héberger des systèmes de détection complexes et à haute performance pour des études de réactions nucléaires exotiques.