EMN Ecole des Mines de Nantes

Physique subatomique des hautes énergies

En physique subatomique des hautes énergies, les investigations se concentrent autour de la phénoménologie des collisions d’ions lourds, avec quelques études au voisinage du seuil de production des kaons, mais le plus souvent à des énergies bien supérieures permettant de s’intéresser à la formation du plasma de quarks et gluons. Passons en revue les différents thèmes abordés.

L'analyse de la production des kaons dans des collisions d'ions lourds permet d’étudier les propriétés de la matière nucléaire dense et chaude. Le taux de production des kaons dépend fortement de la densité dans la réaction. Cette densité étant liée à l'équation d'état nucléaire les kaons peuvent servir pour déterminer cette équation d'état, le rapport des taux de production entre systèmes légers et lourds donnant une signature assez robuste pour cette détermination. Le travail consiste en la modélisation numérique des collisions d'ions lourds. Dans ces simulations, les noyaux sont décrits comme des ensembles des protons et neutrons interagissant par collisions dans un potentiel. Les potentiels, dépendant de la densité, définissent l'équation d'état, et donc le comportement des noyaux sous compression. Les calculs permettent d’étudier l'influence de ces potentiels sur les observables qui peuvent être atteintes expérimentalement. Ce travail permet de mieux interpréter les phénomènes qui interviennent lors des collisions.

Le modèle de Nambu Jona Lasinio est un modèle simplifié de l’interaction entre quarks utile pour étudier la thermodynamique et la dynamique de l’interaction forte, la théorie complète (QCD) restant encore aujourd’hui trop difficile à résoudre. Nous utilisons ce modèle pour étudier 3 questions : le modèle NJL reproduit-il le diagramme des phases de la QCD ? Comment un baryon se comporte à température et densité finies ? Et quel phénomène peut causer la mise en équilibre rapide ?

Le shadowing nucléaire, que l’on peut traduire par phénomène d’ombrage nucléaire, est la modification de la distribution des quarks ou des gluons dans un nucléon lorsque ce dernier est au sein d’un noyau par rapport à la situation où il est isolé. Le shadowing est assez bien connu pour les quarks mais l’est beaucoup moins pour les gluons. Nous avons montré comment extraire ce shadowing pour les gluons dans les collisions proton noyau en mesurant la section efficace de production des photons dans ces réactions. Cette voie est prometteuse au LHC comme au RHIC.

Le plasma de quarks et de gluons (QGP), état de la matière prédit par la théorie des interactions fortes, peut être produit dans les collisions d’ions lourds ultrarelativistes. Un des "signaux" essentiels du QGP est l’atténuation des jets hadroniques (jet-quenching) due à l’énergie perdue par les partons (= quarks et gluons) produits dans la collision d’ions lourds, du fait de leur passage à travers le plasma. Bien que la perte d’énergie partonique explique qualitativement le phénomène observé de jet-quenching, une compréhension quantitative fait encore défaut. Le calcul théorique de la perte d’énergie partonique, même dans un cadre idéal (où le QGP est supposé à l’équilibre), n’est en effet pas clos. Nous avons étudié la perte d’énergie collisionnelle d’un quark lourd, et avons obtenu une relation simple entre perte collisionnelle et perte radiative dans le cas d’un quark léger.

Les relations de dispersion des gluons, qui indiquent comment les gluons se propagent, sont différentes dans un milieu thermique et dans le vide. La probabilité de rayonnement de gluons par un quark énergétique produit dans un plasma de quarks et de gluons s’en trouve affectée, donnant lieu à deux effets contribuant à la perte d’énergie radiative : l’effet Ter-Mikaelian et le rayonnement de transition. Pour un quark lourd, nous avons montré que ces deux effets, combinés à la perte purement collisionnelle, sont responsables d’un effet de retard apparent de celle-ci.

La thermalisation partielle des quarks lourds dans le milieu issu des collisions d’ions lourds au RHIC (et prochainement au LHC) est considérée comme une des signatures de la formation du plasma de quarks et de gluons et un moyen d’explorer ses propriétés. Nous avons étudié un modèle microscopique de thermalisation basé sur des processus élastiques entre quarks lourds et quarks légers et gluons. Une spécificité marquante de notre modèle est sa constante de couplage « courante » et son régulateur infrarouge calibré sur la théorie HTL. Ces caractéristiques de QCD incluses, nous montrons que les pertes d’énergie élastiques sont responsables de plus de 50% des effets observables du milieu sur les saveurs lourdes.

Nous étudions par ailleurs l'implémentation des processus durs, observable du Plasma de Quarks et de Gluons, dans la globalité d'un événement, aux énergies du LHC, ainsi que la production de muons dans les gerbes atmosphériques issues des rayons cosmiques.

Réactions et Astrophysique nucléaire

Les différentes formules donnant les masses et les rayons nucléaires dérivées du modèle de la goutte liquide ont été réexaminées et améliorées à partir de résultats expérimentaux récents.

Les demi-vies des noyaux émetteurs de particules alpha ont été reproduites dans le cadre d’un effet tunnel à travers la barrière de potentiel calculée à l’aide du même modèle de la goutte liquide prenant en compte les effets de proximité nucléaire. Des formules analytiques permettant de reproduire ces demi-vies ont été aussi proposées. Elles permettent de faire des prédictions pour d’éventuels noyaux superlourds.

Deux expériences conduisant à la formation des noyaux 56Ni et 60Zn ont été analysées et notamment les barrières de fissions binaires et ternaires. Pour de faibles moments angulaires la fission ternaire semble exclue. La fission ternaire devient compétitive par rapport à la fission binaire aux grands moments angulaires. La désintégration en trois fragments des noyaux 56Ni et 60Zn indique la formation de noyaux hyperdéformés à grands moments angulaires.

Mécanismes de désexcitation dans les réactions induites par des nucléons autour de l’énergie de Fermi : Le but de ce travail est d’avancer dans la compréhension des mécanismes microscopiques impliqués dans ces réactions afin d’extraire des informations sur les caractéristiques de l’interaction nucléaire. Les spectres des particules issus des réactions nucléon-noyau sont des observables très sensibles a la dépendance en isospin de la force effective, en conséquence ce type de réactions constituent une opportunité d’approfondir notre connaissance de l’interaction nucléaire dans le domaine d’énergies intermédiaires.

Investigation de l’asymétrie en isospin de la matière nucléaire par des réactions induites par des nucléons : L’asymétrie en isospin de la matière nucléaire est une propriété importante pour de nombreux systèmes astrophysiques, telles que les proto étoiles à neutrons générées dans l’explosion de supernova... Un outil essentiel est la dépendance en densité de l’énergie d’asymétrie qui décrit la façon dont l’énergie de la matière nucléaire se modifie lorsqu’on s’écarte d’une égale répartition en proton et neutron. C’est à cet outil auquel on souhaite avoir accès au travers de différents types de réactions nucléaires. Les collisions entre nucléons et noyaux manifestent des comportements différents de ceux constatés dans les collisions entre nucléons. L’étude réalisée montre que ceux-ci s’interprètent à partir des propriétés de la peau de neutron qui se forme en surface des noyaux les plus lourds.

Etude auto-cohérente de transitions structurales dans l’écorce des étoiles a neutrons : Les étoiles à neutrons sont des astres compacts, naissant suite à l’effondrement gravitationnel d’une étoile massive donnant lieu a une supernovae. Bien que représentant une faible fraction de l’étoile, l’écorce est une interface entre l’étoile et les observations. Une bonne connaissance de celle-ci est donc indispensable. Un modèle dynamique et quantique a été développé pour étudier les transitions structurales et leur impact sur les propriétés de transport de la matière nucléaire.

Effets de milieu et fenêtre de fusion : Les effets de milieu sur les sections efficace de fusion à des énergies incidentes à 20 MeV par nucléon nécessitent de nouvelles investigations aussi bien expérimentales que théoriques. En effet ils ont un impact essentiel dans différents domaines comme la physique des astres compacts. Le réchauffement dû aux réactions de fusions aux densités modérées prévalant dans l’écorce des étoiles à neutron doit jouer un rôle essentiel dans la distribution de température et en conséquence sur des processus remarquables comme par exemple le refroidissement des étoiles à neutrons.

Impact de la section efficace nucléon-nucléon dans le milieu sur la voie d’entrée des collisions entre ions lourds en dessous de 100 MeV par nucléon : Une étude minutieuse montre l’impact de ce paramètre sur les premiers instants de la collision. Nos résultats montrent que σNN influence la façon dont se répartit l’énergie disponible au départ sous forme de compression et de chaleur. Elle a également une incidence sur la quantité de particules émises dans la phase dynamique, composante qui emporte avec elle une grande quantité d’énergie.