Etude des dérives monopolaires neutron au-delà de Ni par spectroscopie γ avec BEDO à ALTO et

182 Pages·2017·11.99 MB·French

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9 Etude des dérives monopolaires
1
S
L
C neutron au-delà de 78Ni par
A
S
spectroscopie γ avec BEDO à ALTO
8
1
0
2 et AGATA au GANIL
:
T
N
N
Thèse de doctorat de l’Université Paris-Saclay
préparée à Université Paris-Sud
Ecole doctorale n◦576 Particules, Hadrons, Energie, Nucléaire :
Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation (PHENIICS)
Spécialité de doctorat : Structure et Réactions Nucléaires
Thèse présentée et soutenue à Orsay, le 16 juillet 2018, par
M. Clément Delafosse
Composition du Jury :
Pr Elias Khan
Professeur, Institut de Physique Nucléaire Président
Dr Stéphane Grévy
Directeur de recherche, CENBG Rapporteur
Pr Thomas Elias Cocolios
Professeur, KU Leuven Rapporteur
Dr Antoine Lemasson
Chargé de recherche, GANIL Examinateur
Dr Nadezda Smirnova
Maître de Conférence, CENBG Examinatrice
Dr David Verney
Directeur de recherche, Institut de Physique Nucléaire Directeur de thèse

À Papy et Mamie Chocolat,
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Remerciements
C’est sûrement les premiers voire seuls mots que vous lirez mais ils restent les derniers que
j’écriraietsurementlesplusdifficilesaussi.Cestroisansdethèserestentavanttoutuneaventure
humaine et plusieurs personnes ont contribué au succès de ces travaux que ce soit d’un point de
vue professionnel et/ou personnel. Le travail de recherche reste et restera avant tout un travail
d’équipe.
Jecommenceraiparremercierlesmembresdemonjury.Elias,présidentdecejury,jen’aurais
pu rêver mieux. Tu as été à l’origine de cette aventure comme mon professeur il y a maintenant 5
ansetceluiquiaprononcélesmotsquicouronnentsonsuccès.Laboucleestbouclée.Stéphaneet
Thomas, mes rapporteurs, vous avez accepté cette tâche (ingrate). Merci pour vos commentaires
et questions qui ont améliorés grandement ce manuscrit. Antoine, merci pour ton accueil au
GANIL et ton aide et tes conseils pour l’analyse des données VAMOS+AGATA. Et Nadya,
merci d’avoir relu avec attention mes travaux, tes commentaires sur la partie plus théorique
notamment ont amélioré ce manuscrit.
Enfin, David, mon cher directeur de thèse, tu m’as pris sous ton aile en stage de M1 il y a 4
ans. Être ton étudiant (le premier qui est à la fois officiel et officieux) est une grande fierté. Le
résultat de ces travaux est en grande partie dû à toi, ta capacité d’enseignement, de partage de
tesconnaissances(quisemblentinfiniedepuismonhumblepositiond’apprentichercheur).Merci,
d’autant plus, de m’avoir fait confiance pour cet ambitieux projet. J’espère pouvoir continuer à
travailler encore longtemps avec toi car c’était essentiellement beaucoup de plaisir.
J’ai réalisé mes travaux au sein de l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay. Je tiens à re-
mercier la direction de ce laboratoire notamment Michel pour son accueil au sein du conseil de
laboratoire. J’en profite ici pour remercier Pascale pour ta bonne humeur et ton aide (souvent
logistique) au cours de cette aventure. Je te souhaite de passer une bonne retraite amplement
méritée.
Je remercie aussi le groupe NESTER pour leur accueil chaleureux. Un merci particulier à
Fairouz et Iulian les deux responsables qui se sont succédés pendant cette aventure, toujours
soucieux de notre bien être, nous les thésards. Un énorme merci tout particulier à Céline, la
maman des thésards, toujours là le matin avec un grand sourire. Tu es présente auprès de tes
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« piou-piou » avec tes encouragements et ton aide sur le plan administratif est toujours très
précieuse. Dans ce groupe, une autre personne a énormément compté, Fadi, parfois héros de
l’ombre de cette aventure, tes conseils et encouragements m’ont été précieux. Tu m’as aussi été
d’un grand secours pour trouver un appartement. Je pense que tes mains se souviennent encore
des « quelques » pages à recopier . Et bien sûr, merci aux autres membres du groupe avec qui
j’ai eu la chance de partager quelques discussions scientifiques (ou non scientifique) autour d’un
café ou pendant un repas, notamment Freddy, Iolanda, François ou encore Matthieu.
Enfin, Andrea, post-doc de David à mon arrivée, tu as beaucoup compté dans cette réussite
par tes enseignements, ta patience (parfois) et ton aide. Bon vent en Italie, en espérant toujours
pouvoircontinueràtravailleravectoi.Jeremercieaussiceluiquit’aremplacédanscetteaventure
à l’IPN, Mathieu.
Toujours en restant au sein du laboratoire, je tiens à remercier l’ensemble du personnel
d’ALTO, Hakim et tes équipes, vous avez fait en sorte que l’on se sentent bien quand nous
venons faire une expérience. Travailler avec des personnes aussi passionnées que vous est un
véritable plaisir. Un énorme merci aussi à Kane, Yann et Patrick pour leur aide infinie pour
acquérir, copier, rapatrier et gérer les données de mes deux expériences.
Pendant ces travaux, j’ai aussi eu la chance de pouvoir enseigner. Aventure d’autant plus
plaisante qu’elle a été partagée avec des personnes formidables, merci à vous Carole et Stéphanie
de m’avoir permis de vivre cette expérience et d’avoir toujours été là dans les petits moments de
doutes que l’aventure «thèse» offre. Merci aussi à Xavier pour des séances de TP hilarantes.
Que serait cette aventure sans embuches et surtout sans des personnes pour les surmonter.
Ainsi, merci à Damian et Alain pour votre aide dans la compréhension du détecteur AGATA.
Alain merci aussi pour ton accueil à Padoue autour d’un verre de Gin To’ ou d’un Spritz.
Il y a aussi Marine, je t’ai connu au GANIL mais notre aventure au Vietnam a été des plus
enrichissantes surtout notre dernière soirée.
D’autres chercheurs plus expérimentés ont aussi compté à différentes étapes de ces travaux.
MerciWaelypourtonaccueilauseindelacollaborationAGATAainsiqu’Amelpourm’avoirpris
sous ton aile à mon arrivée au GANIL et pour les répétitions de la soutenance. Merci Kamila,
François et Gilbert pour votre accueil à Strasbourg.
Bien sûr, je remercie aussi mes collègues « thésards » rencontrés pendant cette thèse. Sans
vous, je n’aurais sûrement pas pu passer une thèse si épanouissante. Tout d’abord, les « déjà-
docteurs»arrivésavantmoi,Louis,Claire(nosshiftsdenuitauGANILsontencorebienprésents
dans ma mémoire), Daniele, Noël, Maud, Alice, Benjamin, merci pour votre bonne humeur et
Julien pour les différentes aventures que nous avons eu avec un certain dérouleur de bande
«légèrement» capricieux vers 4h du matin.
AurélieetMarie-Co,vousquiavaientétémescollèguesdebureau,mesvoisinesetmesgrands
soutiens, je joins à vous Jason pour nos soirées Montrougeoises, autour d’une bonne bière, quand
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ça n’allait pas (et même quand ça allait bien), nos séances de «zythologie1 » ont été d’un grand
secours. Le partage de votre propre expérience de thèse m’a rassuré dans les moments difficile
comme les coups de mou de deuxième année. Merci pour votre soutien infaillible, je compte sur
vous pour vous voir encore longtemps et surement en Finlande.
Merci à mes collègues actuelles, mes collègues de bureau Ian (I will always remember our
different parties together, and the fact you never gave up, see you soon in Japan maybe) et η
oµoρφη Aναστασια thank you so much for having been such a good officemate/friend during
all this three years and for this wonderful trip in your hometown Θ(cid:15)σσαλoνικη, go go go you’re
reaching the end too. And Petar, thank you too, it was a pleasure to work with such a nice guy
as you, let’s continue this way. Merci aux autres thésards, Liss, Olivier, Antoine, Anne, Jana,
Florent, Liqiang, Raphaël, ... d’avoir été là pendant cette thèse.
Je terminerai avec les petits nouveaux qui ont commencé récemment ou commenceront très
bientôt, merci à Rémy (tu n’es pas dans le même laboratoire mais bon tu fais partie de la
collaboration BEDO), on se connaissait du magistère, et avons déjà partagé une conférence
ensemble, bon courage pour la suite et à bientôt. Louis et Damien, vous démarrez bientôt alors
bon courage. Enfin, Guillem, ce fût un plaisir de te rencontrer, je te laisse maintenant la place
d’étudiant de David ainsi que mon bureau; fais-en bon usage et surtout prends du plaisir dans
ta propre aventure.
Merci aussi à mes camarades des bancs de la fac que j’ai un peu moins vu qu’avant la thèse
en raison de nos emplois du temps respectifs. Benjamin, Julie, Théo, Antoine, Anais, Nicolas,
Guilhem,...mercipourvosencouragements,lesdifférentessoiréesetautressorties/vacances.Bon
courage pour votre dernière année. Merci aussi à mes collègues de la promo 2015 du magistère,
merciPauline,AlexetLaëtitiapournosséancescinéma,lesjoursdel’an,lessortie,lesbrunchs,...
et merci Aldric, notre voyage en Europe fût une formidable expérience pour moi et surtout tu
as assisté à mon baptême de l’air. Un petit merci particulier à Quentin, on se suit depuis la L3
à Rennes, bon courage pour la fin et à très bientôt en terre celtique.
Jen’auraispasvécucetteaventuresansdespersonnesquim’ontconnuavantmêmequel’idée
de la vivre n’effleure mon esprit d’adolescent. Lou, merci d’avoir été une grande amie du lycée
et pour avoir tout tenté pour venir lors de ma soutenance, à très bientôt.
Antoine, mon quasi-frère, tu as été un soutien sans faille et tu m’as permis avec ta famille
(Sylvie, Elisa et Justin...) de pouvoir décompresser lors de mes retours en Normandie grâce
à des parties endiablées de tarot et de belote. J’espère partager avec toi encore de nombreuses
aventures.Grâceàmesnombreuxdéménagements,ilmerestequelquesamischersunpeupartout,
Armand et Teddy, merci d’avoir pris le temps de venir à ma soutenance, revenir à Rennes vous
voir est toujours un plaisir, source souvent de maux de tête le lendemain.
1. Lazythologiepeutserésumerendeuxslogans:«Quandçavamal,prendsunegoudale»ouencore«Quand
la journée n’est pas ouf, rien de telle qu’une bonne chouffe»
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Il y a aussi les habitants de mon petit village de Normandie qui m’ont toujours bien accueilli
lors de mes retours malgré le fait que je devienne un peu trop parisien à leur goût. Merci, tout
particulier à Philippe et Caroline ainsi qu’à leurs enfant Joseph, Azélie, Victor et Louise pour
leurs encouragements, leur venue à ma soutenance et le fait d’être de si bons voisins. Merci à
Jean-François, tu ne pouvais pas être présent en cette journée mais tu as été le premier à me
faire parler en public (même chanter) et cela m’a beaucoup aidé (et m’aidera toujours).
Enfin, je ne serai pas là sans ma famille qui a toujours su me soutenir, me pousser à toujours
aller plus loin. Ils m’ont suivi dans tous mes projets en m’aidant à déménager quasiment chaque
année. Merci à mes tata Valérie et Catherine, ma marraine, d’être venues me voir en ce jour si
particulier. Merci à mes cousins/cousines pour leur soutien, Chloé et Sébastien, vous avez vous
aussi fait le déplacement, merci aussi pour les petites soirées passées ensemble en Normandie.
Merci aussi à Audrey et Antoine (et le petit Louis) pour leur soutien jusqu’au dernier moment.
Un énorme merci à ma sœur Laëtitia et mon frère Adrien pour leur soutien, leur complicité lors
de la réunion du trio parfois infernal que nous formons quand nous sommes réunis.
Et enfin, un énorme merci à mes parents Benoît et Christine qui ont su parfois me pousser là
où je n’osais pas aller (sur les conseils de M. Bailly, mon professeur de mathématiques de collège,
merci à lui d’avoir cru en moi), qui ont su trouver les mots dans mes moments de doutes et qui
m’ont toujours supporter dans mes choix lorsque je les prenais. Vous m’avez appris beaucoup,
vous avez fait de moi cette personne curieuse (au bon sens du terme) et vous m’avez aussi appris
le goût du travail (bien fait). Vous avez grandement contribué à la réussite de cette aventure.
En vous souhaitant à tous une bonne lecture et à très bientôt,
Clément
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Table des matières
Introduction générale 12
1 Motivations physiques 17
1.1 Évolution des nombres magiques loin de la stabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.1 Notion de nombres magiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.2 Disparition et apparition de nombres magiques : coexistence de formes et
îlot d’inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.3 Décomposition multipolaire de l’hamiltonien . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 La région du 78Ni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.1 État de l’art de l’étude de l’effet de couche à N = 50 . . . . . . . . . . . . 25
1.2.2 Vers Z = 28 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3 Objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2 Observables d’intérêt 35
2.1 La décroissance β− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.1 La décroissance β : une sonde pour la structure nucléaire. . . . . . . . . . 36
2.1.2 Émission de neutron β-retardée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.3 Effet Pandémonium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2 Durée de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.1 Notion de durée de vie en physique nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.2 Équation de Bateman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.3 Techniques expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.4 Probabilité de transition électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 Etude de la décroissance β de 83Ga : Dispositif expérimental 53
3.1 ALTO - Faisceaux d’ions radioactifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2 BEDO : ensemble de détecteurs dédié à l’étude de la décroissance β . . . . . . . . 57
3.3 Électronique et système d’acquisition COMET-NARVAL . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Performances de BEDO : Gain en limite de détection et taux de production mi-
nimal détectable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
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Table des matières
4 Etude de la décroissance β de 83Ga : Organisation des données 67
4.1 Construction du spectre en énergie γ de la décroissance du 83Ga . . . . . . . . . . 68
4.2 Matrice de coïncidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5 Etude de la décroissance β de 83Ga : Résultats 77
5.1 Analyse du spectre γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.2 Coïncidence γ −γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3 États au delà du seuil de séparation neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.1 Déconvolution du spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.2 Coïncidence LaBr -Ge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
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5.4 Comportement temporel et durée de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.5 Schéma de niveau de la décroissance β du 83Ga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6 Mesure de durées de vie : Dispositif expérimental 91
6.1 Méthode expérimentale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.2 Le GANIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3 Plunger OUPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4 Le spectromètre de masse VAMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.4.1 Chambre à fils d’entrée (TMW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.4.2 Chambre à fils du plan focal (MWPPAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.4.3 Chambre à dérive (DC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.4.4 Chambres à ionisation (IC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.5 Le spectromètre AGATA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.6 Disposition géométrique du dispositif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.7 Acquisition et trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7 Mesure de durées de vie : Reconstruction des données 103
7.1 Obtention des spectres γ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.1.1 Preprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.1.2 Analyse de forme de signaux (PSA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.1.3 Post PSA et tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.1.4 Correction Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.2 Identification des fragments de fission avec VAMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2.1 Obtention des coordonnées à l’entrée et au plan focal . . . . . . . . . . . . 111
7.2.2 Reconstruction de A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Q
7.2.3 Reconstruction de l’énergie cinétique E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.2.4 Reconstruction de l’état de charge Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.2.5 Reconstruction du nombre de masse A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2.6 Identification du numéro atomique Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2.7 Sélection des événements γ prompts et identification . . . . . . . . . . . . 118
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