Notre compréhension de la nucléosynthèse dans l’Univers est principalement due à la forte interaction entre les observations astronomiques, les études de physique nucléaire et la modélisation astrophysique. Ces domaines sont en constante évolution: de nouveaux télescopes et satellites ouvrent de plus en plus de fenêtres sur le Cosmos, les mesures de physique nucléaire sont repoussées aux limites grâce à de nouvelles installations (faisceaux radioactifs, faisceaux stables de haute intensité) et à des systèmes de détection sophistiqués, et les calculs de physique nucléaire bénéficient des méthodes et de la puissance de calcul les plus récentes.
Les taux de réaction thermonucléaire et les taux de désintégration β sont des ingrédients clés nécessaires pour comprendre la production d’éléments dans l’Univers. Leur détermination nécessite de nombreuses données de physique nucléaire: les sections efficaces de la réaction, la masse, la désintégration β et les propriétés spectroscopiques des noyaux concernés. Cependant, les études expérimentales associées restent très difficiles, soit à cause des sections efficaces très faibles, soit à cause de la nature radioactive des noyaux concernés. Sur le plan théorique, il reste à tester et à comparer globalement les modèles nucléaires fournissant des informations sur la carte nucléaire.
L’astronomie des rayons gamma dans la région du MeV joue un rôle particulier dans l’étude observationnelle de la nucléosynthèse, car elle permet de sonder directement les processus nucléaires en jeu. Les télescopes INTEGRAL et RHESSI sont proches de la fin de leur vie, et une étude nationale de la meilleure nouvelle génération de satellites est en cours.
L’étude de la nucléosynthèse à l’IJCLab suit principalement trois lignes d’investigation : la détermination expérimentale des taux de réaction pertinents (principalement des mesures indirectes de sections efficaces et des études de désintégration β) dans plusieurs environnements astrophysiques, des calculs théoriques et le développement d’un instrument d’observation du ciel dans la gamme des MeV.
Nucléosynthèse explosive dans les novae classiques et les sursauts de rayons X de type I
Les novae classiques et les sursauts X de type I sont des événements explosifs qui ont lieu dans des systèmes binaires proches constitués d’une naine blanche (pour les novae) ou d’une étoile à neutrons (pour les sursauts X) accrétant de la matière riche en H et He provenant d’une grande étoile de la séquence principale (ou plus évoluée). Notre pôle est impliqué dans l’amélioration de la connaissance des sections efficaces des réactions nucléaires clés impliquées dans ces phénomènes, ce qui est crucial pour l’interprétation des observations et la validation des modèles astrophysiques sous-jacents décrivant ces sites astrophysiques. Les expériences sont réalisées à ALTO avec le spectromètre Split-Pole ou au GANIL.
Nucléosynthèse quiescente et explosive dans les étoiles massives
Les étoiles massives jouent un rôle essentiel dans l’évolution chimique de la galaxie et sont responsables de la synthèse de “la plupart” des éléments présents dans l’univers. Ceux-ci sont produits soit pendant leurs phases de combustion quiescente, soit pendant leur phase explosive. Parmi les produits de nucléosynthèse de ces étoiles, plusieurs sont des émetteurs gamma tels que 26Al, 44Ti et 60Fe, ce qui en fait des cibles potentielles pour les missions d’astronomie gamma spatiale; et d’autres sont observés dans les grains présolaires tels que 13C, 14N, 15N. Ces cinq dernières années, nous avons étudié diverses réactions clés impliquées dans les étoiles massives par transfert ou diffusion inélastique à l’aide des spectromètres magnétiques Split-Pole et Q3D des installations ALTO et MLL-Munich .
Dessin du Split-Pole d’Orsay et des mesures récentes de la section efficace différentielle de la réaction 13C(7Li, t)17O.
Anomalies d’abondance dans les amas globulaires
Les amas globulaires sont des terrains d’essai essentiels pour les modèles d’évolution stellaire et les premières étapes de la formation des galaxies. Les anomalies d’abondance dans certains amas globulaires, telles que l’augmentation du potassium et l’appauvrissement du magnésium, peuvent être expliquées en termes d’une génération antérieure d’étoiles polluant les étoiles actuellement observées. La gamme potentielle de températures et de densités des sites polluants dépend de la valeur d’un certain nombre de taux de réaction critiques. Une étude des réactions pertinentes est réalisée avec le spectromètre magnétique Q3D au MLL-Munich et avec le spectromètre à recul DRAGON à TRIUMF.
Le processus r
Environ la moitié de l’abondance des éléments au-delà du fer est produite par le processus r qui est une succession de captures radiatives rapides de neutrons suivies de désintégrations β. La trajectoire du processus r s’étend loin de la vallée de stabilité vers la ligne de fuite des neutrons. L’abondance solaire des éléments r présente de forts pics qui sont corrélés avec les fermetures des coquilles neutroniques, ce qui indique que la structure nucléaire joue un rôle important.
La connaissance des paramètres d’entrée nucléaires, tels que les masses nucléaires, les demi-vies de désintégration bêta, les probabilités d’émission de neutrons retardés et les taux de capture de neutrons, est essentielle pour la modélisation du processus r. Le pôle nucléaire est impliqué dans la détermination de ces paramètres par des mesures dans différentes installations de faisceaux d’ions radioactifs : mesures de désintégration bêta pour peupler les résonances dipolaires pygmées à ALTO, ainsi que mesures de masse et spectroscopie de désintégration à ISOLDE et Jyväskylä.
Vers un spectro-imageur spatial dans le domaine du MeV
Il est généralement admis dans la communauté que le prochain observatoire de rayons γ fonctionnant dans la gamme MeV sera un télescope Compton. Une application possible de ce concept consiste à utiliser un tracker en silicium pour enregistrer les interactions Compton et la production de paires par les rayons gamma au-dessus de quelques MeV. L’énergie des photons diffusés ou des paires e–/e+ est mesurée dans un calorimètre constitué de scintillateurs. Le développement d’un petit prototype de spectro-imageur Compton de rayons γ est entrepris en forte collaboration avec le pôle A2C depuis plusieurs années à travers le projet ComptonCAM. Le pôle nucléaire est en charge de la construction et de la caractérisation du tracker basé sur des détecteurs double face en silicium strié (DSSSD). Des cartes dédiées ont été conçues pour accueillir les détecteurs ainsi que l’électronique frontale et dorsale. Les performances obtenues en termes de résolution spectrale et de seuil d’énergie correspondent aux spécifications.