Une réaction de spallation est une interaction entre un hadron léger de quelques centaines de MeV, typiquement un proton, et un noyau lourd. Elle peut être décomposée en deux étapes : une première étape rapide, la cascade intranucléaire, qui conduit à un « pré-fragment » excité, puis une seconde étape plus lente, la désexcitation du pré-fragment. Il est parfois nécessaire d’introduire dans les modèles, une troisième étape dite de pré équilibre, entre la cascade et la désexcitation, afin de reproduire certains résultats expérimentaux. Une bonne compréhension des mécanismes de cette réaction est importante dans de nombreux domaines, comme l’astrophysique (les rayons cosmiques induisent dans l’hydrogène de notre atmosphère des réactions de spallation), la production de faisceaux exotiques (la spallation peut être utilisée pour produire de nombreux noyaux loin de la vallée de stabilité), ou les sources de neutrons (en moyenne, une réaction de spallation produit sur une cible de Plomb, une trentaine de neutrons). Malgré de nombreuses études, ces mécanismes ne sont pas encore parfaitement compris, notamment parce qu’il est difficile de séparer expérimentalement les effets respectifs des différentes étapes de la réaction.
Nous avons donc entrepris de réaliser des mesures exclusives de spallation, en détectant le résidu de spallation en coïncidence avec les particules légères chargées et les neutrons émis. Cela devrait permettre de reconstruire la première étape de la réaction, la cascade intranucléaire, en reconstruisant les caractéristiques du pré-fragment, avant sa désexcitation. Le principal objectif de ce travail est la mise au point d’un dispositif expérimental qui permette de réaliser ces mesures exclusives.
L’utilisation de la cinématique inverse (le projectile est le noyau lourd, et la cible est le hadron léger) est nécessaire, afin de pouvoir détecter l’ensemble des produits de réaction: grâce à la vitesse du centre de masse, tous les produits de la réaction ont une vitesse suffisante pour sortir de la cible et être focalisés vers l’avant. Leur mesure avant une éventuelle décroissance radioactive devient alors possible, avec un ensemble de détection de taille relativement raisonnable.
L’ensemble de détection utilisé est organisé autour de l’aimant ALADIN du GSI. Un premier dispositif expérimental a tout d’abord été étudié. Grâce à deux chambres d’ionisation (une avant et une après l’aimant), il était possible d’identifier en Z les fragments lourds, un détecteur Cerenkov fournissait une mesure de leur vitesse b, et quatre chambres à dérives permettaient de reconstruire leur trajectoires à travers l’aimant, donnant ainsi accès à la masse A des fragments émis. Les neutrons étaient mesurés avec le détecteur LAND, et pour les particules légères chargées, 7 plans de chambres à fils étaient prévus, afin de reconstruire leur trajectoire après l’aimant, et un mur de scintillateurs, permettait de mesurer leur charge Z et leur vitesse (par temps de vol). Cependant, nous avons montré qu’un tel dispositif conduisait à de trop nombreuses ambiguïtés, dès que le nombre de particules chargées émises simultanément (la multiplicité) devenait supérieur à 3. Nous avons donc entrepris, pour remplacer les plans de chambre à fils, d’utiliser un nouveau détecteur (MUSIC IV) mis au point par nos collègues de GSI pour des études de multifragmentation. Ce détecteur fonctionne en mode TPC (Time Projection Chamber) et couple des chambres d’ionisation et des compteurs proportionnels. Il fournit, pour chaque ion qui le traverse, une mesure de sa charge et quatre mesures de position : évènement par évènement, il est ainsi possible de reconstruire simultanément toutes les traces produites par l’ensemble des ions émis.
Nous avons choisi comme première mesure, le système Fe + p à 1 GeV/u : en effet, ce système a déjà été étudié de manière inclusive en cinématique directe et en cinématique inverse. Ceci nous permettra de tester la validité de notre dispositif expérimental par une comparaison des données inclusives.
Plusieurs tests sous faisceau ont été effectués afin de bien comprendre le fonctionnement des différents détecteurs utilisés et de définir les conditions optimales de mesure. Nous avons ainsi pu déterminer la valeur de tension à appliquer sur les compteurs proportionnels de la MUSIC IV (HV = 2640 V) afin de l’adapter au mieux à nos objectifs, notamment la mesure des Z=1 et Z=2. Les efficacités de détection ainsi obtenues sont respectivement de 75 % et 90 %, pour les Z=1 et Z=2. De même, une étude spécifique a été menée afin de déterminer l’efficacité de détection des Z=1 avec le mur de plastique : une valeur 80 % environ a été trouvée.
Les étalonnages du mur de plastique ont mis en évidence certains problèmes techniques. Ils nous ont conduit à déterminer les paramètres de calibration en charge à partir d’une corrélation avec la MUSIC IV. De même, les paramètres de calibration en temps ont dû être déterminé à partir de mesures de calibration réalisées dans une campagne d’expériences antérieure. Malgré ces difficultés, la bonne corrélation entre la charge mesurée avec le mur de plastiques et celle mesurée avec la MUSIC IV montre la bonne qualité des résultats obtenus. De même, les étalonnages en temps utilisés ont permis d’avoir une résolution de 150 ps pour les ions lourds et 400 ps pour les particules légères. Concernant la MUSIC IV, un étalonnage précis des positions dans le détecteur a été effectué et a permis de reconstruire les traces des particules après l’aimant. Ainsi, une reconstruction complète des trajectoires des ions lourds a pu être effectuée, ce qui a permis d’obtenir une première identification en masse. Ces résultats sont néanmoins préliminaires. L’identification en masse des ions légers est en cours.
Afin de valider notre dispositif expérimental, nous avons comparés nos résultats préliminaires avec des mesures inclusives obtenues auparavant sur le spectromètre FRS du GSI. La comparaison des sections efficaces différentielles en charge montre un accord raisonnable. Cependant, notre dispositif a permis d’étendre les mesures précédentes aux charges Z=1 et Z=2, importantes pour les études relatives aux dommages des matériaux. Compte tenu des barres d’erreurs que nous avons obtenues, l’évolution des vitesses moyennes avec la masse du résidu de spallation est comparable à celle observée au FRS. Ces premiers résultats, même s’ils restent préliminaires, permettent de valider notre dispositif expérimental. Il est maintenant possible d’envisager d’exploiter les points forts des mesures exclusives réalisées, à savoir les corrélations entre les différents observables mesurées. Enfin, les problèmes expérimentaux soulevés lors de l’analyse effectuée pourront être pris en compte lors des expériences, afin notamment de mieux définir les programmes de mesure nécessaires aux étalonnages des détecteurs.
