ACTAR-TPC: Pho­togra­phi­er les réac­tions nucléaires pour mieux les comprendre

Faire une pho­to en haute déf­i­ni­tion des réac­tions nucléaires est main­tenant pos­si­ble avec le nou­veau détecteur ACTAR TPC (ACtive TAR­get Time Pro­jec­tion Cham­ber) dévelop­pé au GANIL dans le cadre d’une col­lab­o­ra­tion inter­na­tionale. Le dis­posi­tif ACTAR TPC rem­plit deux fonc­tions simul­tané­ment : celle de cible et celle de détecteur. En effet, le gaz dont il est rem­pli con­stitue la cible de matière avec laque­lle inter­ag­it le fais­ceau d’ions inci­dent. Par ailleurs, l’ionisation de ce même gaz, par les ions pro­jec­tiles et par les par­tic­ules pro­duites lors des col­li­sions nucléaires, per­met de visu­alis­er leurs tra­jec­toires en trois dimen­sions et donc de « voir » la dis­so­ci­a­tion des noy­aux atom­iques impliqués dans la col­li­sion. L’électronique dévelop­pée et dédiée spé­ci­fique­ment à ce type de détecteur, asso­ciée à un nom­bre de voies très impor­tant, per­met de recon­stituer très pré­cisé­ment ces tra­jec­toires grâce à l’acquisition de quelques 8 Méga Vox­els (élé­ments de vol­ume) jusqu’à 100 fois par sec­onde. En novem­bre 2017, ACTAR-TPC a passé avec suc­cès les tests sous les fais­ceaux du GANIL et sera donc util­isé lors de la cam­pagne d’expériences 2018 au GANIL.

Pour la pre­mière fois en 2017, la ver­sion finale du détecteur ACTAR-TPC a été instal­lée sur une ligne de fais­ceau du GANIL afin de réalis­er une expéri­ence de test. Cette expéri­ence a con­sisté en l’envoi d’un fais­ceau d’oxygène sur un gaz d’isobutane pur à basse pres­sion. Lors des réac­tions entre le fais­ceau et la cible gazeuse, de nou­velles par­tic­ules peu­vent être pro­duites. En recon­sti­tu­ant leurs tra­jec­toires en 3D ACTAR-TPC per­met aux chercheurs de les iden­ti­fi­er, de les car­ac­téris­er et de recueil­lir de nou­velles infor­ma­tions sur les phénomènes en jeu.

Les tra­jec­toires sont recon­stru­ites grâce aux élec­trons générés par les par­tic­ules lors de l’ionisation du gaz. La troisième dimen­sion est obtenue par la mesure du temps de dérive des élec­trons, depuis le point où ils ont été générés jusqu’au plan du détecteur col­lec­tant les charges. Le dis­posi­tif fonc­tionne ain­si comme une « cham­bre à pro­jec­tion tem­porelle » (Time Pro­jec­tion Cham­ber » ou TPC en anglais). 

Les élec­trons sont ensuite col­lec­tés sur un plan pix­el­lisé recou­vert d’un détecteur Micromegas qui aug­mente le nom­bre d’électrons afin d’en amélior­er la détec­tion. La faible den­sité des cibles gazeuse per­met de « voir » des pro­duits de réac­tion de faible énergie tout en garan­tis­sant un taux de réac­tion impor­tant de par leur grande pro­fondeur. Ce détecteur est donc par­ti­c­ulière­ment adap­té à l’étude de noy­aux radioac­t­ifs pro­duits en faible quan­tité. Si le principe de fonc­tion­nement du dis­posi­tif est sim­i­laire à celui de détecteurs déjà exploités avec suc­cès au GANIL par le passé (cible active MAYA ou le pro­to­type de ACTAR), la par­tic­u­lar­ité du dis­posi­tif ACTAR TPC est d’offrir une meilleure réso­lu­tion dans la recon­struc­tion des tra­jec­toires et dans l’identification des pro­duits de réac­tion. Les pix­els du plan de détec­tion sont des car­rés de 2 mm de côté répar­tis sur une sur­face de 25,6×25,6 cm², pour un total de 16 384 voies de détec­tion. Il devrait ain­si per­me­t­tre d’étudier avec beau­coup plus de pré­ci­sion qu’auparavant les mécan­ismes de réac­tion nucléaire (trans­fert de nucléons, fis­sion, fusion-éva­po­ra­tion…), ain­si que la struc­ture du noy­au par l’étude de tous les pro­duits de réaction. 

Dans le futur…
Ce pre­mier test con­firme le bon fonc­tion­nement du détecteur. Qua­tre expéri­ences sont d’ores et déjà prévues au GANIL avec l’étude de la décrois­sance 2‑protons (phénomène rare) du ⁵⁴Zn ou encore de la struc­ture du ¹⁹Ne (noy­au d’intérêt astrophysique).

Organ­i­sa­tion du pro­jet ACTAR TPC

ACTAR-TPC est financé dans le cadre d’un pro­gramme européen de sou­tien à la recherche appelé ERC (Euro­pean Research Coun­cil), suite à dossier de finance­ment déposé en 2014. 

Porté par le GANIL, ACTAR TPC asso­cie des chercheurs et des ingénieurs de dif­férents lab­o­ra­toires français (Cen­tre d’Etudes Nucléaires de Bor­deaux-Gra­dig­nan) et étrangers (uni­ver­sité K.U. Leu­ven en Bel­gique et Uni­ver­sité de San­ti­a­go de Com­postel­la en Espagne). 

L’électronique a quant à elle été dévelop­pée au sein du pro­jet GET qui a été financé par une bourse ANR (finance­ment de l’Agence Nationale de le Recherche) jusqu’en 2015. ACTAR TPC a prof­ité de ce développe­ment dédié aux sys­tèmes à grand nom­bre de voies de détection.

Liens

GANIL ACTAR TPC News

GANIL MAYA

ALERT: un détecteur pour mieux com­pren­dre l’in­ter­ac­tion forte dans les noyaux

L’ob­jec­tif de la col­lab­o­ra­tion ALERT (A Low Ener­gy Recoil Track­er ) est de con­stru­ire un détecteur pour mieux com­pren­dre l’in­ter­ac­tion forte dans les noy­aux. ALERT a pour objec­tif d’é­tudi­er plusieurs aspects de la force forte, en par­ti­c­uli­er celui appelé “effet EMC”, qui fut décou­vert il y a main­tenant plus de 30 ans et dont l’o­rig­ine reste un mys­tère aujour­d’hui. Afin d’é­tudi­er cette force, nous util­isons le fais­ceau d’élec­trons de haute énergie du lab­o­ra­toire Jef­fer­son Lab­o­ra­to­ry aux USA (~11 GeV), ain­si qu’un grand nom­bre de détecteurs pour mesur­er le résul­tat des col­li­sions entre ce fais­ceau et une cible d’héli­um. La col­lab­o­ra­tion ALERT développe un détecteur inno­vant en com­plé­ment des équipements exis­tants du Jef­fer­son Lab­o­ra­to­ry, en par­ti­c­uliers le détecteur CLAS12. Le détecteur ALERT est un tra­jec­tographe de noy­aux recul de faible énergie. Il per­me­t­tra de détecter et iden­ti­fi­er les noy­aux légers jusqu’à l’hélium‑4.

Le design et la con­struc­tion du spec­tromètre ALERT présente plusieurs défis. Il est en effet con­sti­tué de deux détecteurs com­plé­men­taires. Le pre­mier, une cham­bre à dérive parabolique, qui mesure la tra­jec­toire des par­tic­ules et dont la con­cep­tion est dirigée par les équipes de l’IPN d’Or­say. Le sec­ond, qui mesure le temps d’ar­rivée des par­tic­ules, est un réseau de scin­til­la­teurs. Son développe­ment est géré par un groupe du lab­o­ra­toire nation­al d’Ar­gonne (ANL) aux USA. En com­bi­nant les infor­ma­tions de ces deux détecteurs, il est pos­si­ble de déter­min­er quelle par­tic­ule a tra­ver­sé le détecteur ain­si que sa posi­tion, son énergie et son angle d’émission.

La pho­to ci-dessus présente l’un des pre­miers pro­to­types de la cham­bre à dérive qui sert à véri­fi­er le design mécanique et est égale­ment util­isé pour valid­er les per­for­mances du détecteur. Le pro­to­type per­met par exem­ple de répon­dre aux ques­tions suiv­antes : les sim­u­la­tions sont-elles cor­rectes ? Sommes-nous capa­bles d’assem­bler un tel détecteur ? Quelle est la durée de vie du détecteur ?