Thèse Description Ab-Initio de la Matière Superfluide dans les Étoiles à Neutrons H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie Direction de la thèse : Michael URBAN ORCID 0000000233280091 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 Les étoiles à neutrons sont des objets astrophysiques extrêmement denses, produits lors des explosions de supernovae par effondrement du coeur. L'observation de ces objets connaît actuellement des progrès considérables grâce à de nouveaux radiotélescopes (tels que le projet SKM) ou à des télescopes spatiaux dans le domaine visible, des rayons X (par exemple NICER) ou des rayons gamma. En outre, les fusions de systèmes binaires d'étoiles à neutrons peuvent être observées par ondes gravitationnelles (LIGO-Virgo-KAGRA).
Pour modéliser la matière des étoiles à neutrons, différentes approches ont été utilisées. D'une part, il existe des fonctionnelles de densité d'énergie phénoménologiques. D'autre part, on cherche à calculer les propriétés de la matière neutronique et de la matière nucléaire (asymétrique) à partir d'une théorie microscopique. Les calculs directs à partir de la QCD ne sont actuellement pas possibles. C'est pourquoi, dans l'approche dite « ab initio », qui sera utilisée dans cette thèse, on part de nucléons comme degrés de liberté, interagissant via des interactions réalistes à deux et trois nucléons.
L'une des propriétés fascinantes des étoiles à neutrons est leur superfluidité. Celle-ci résulte de l'interaction attractive neutron-neutron, qui conduit à la formation de paires de Cooper. Le gap d'appariement est lié à l'énergie nécessaire pour briser une paire de Cooper ainsi qu'à la température critique de la transition de phase normal-superfluide. Les phénomènes les plus spectaculaires liés à la superfluidité dans les étoiles à neutrons sont les « glitches » de pulsars (accélérations soudaines de la rotation du pulsar). En outre, la superfluidité a un effet important sur le refroidissement des étoiles à neutrons ainsi que sur leurs oscillations.
La principale difficulté dans le calcul du gap d'appariement provient des corrections importantes au-delà de l'approximation de champ moyen de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). La plus grande source d'incertitude est probablement l'écrantage de l'interaction d'appariement (polarisation du milieu). Une autre incertitude provient de la masse effective des neutrons. La masse effective n'affecte non seulement le gap d'appariement, mais aussi les propriétés thermodynamiques, ainsi que les taux d'émission, de diffusion et d'absorption des neutrinos.
La méthode qui sera utilisée dans cette thèse consiste en une combinaison du «Similarity Renormalization Group» (SRG) avec la «Bogoliubov Many-Body Perturbation Theory» (BMBPT). Le SRG est une transformation unitaire de l'interaction nucléon-nucléon qui la rend plus adaptée aux méthodes perturbatives à N corps. Afin de calculer la masse effective et le gap, la BMBPT peut être formulée en termes de diagrammes de Feynman dans le cadre du formalisme de Nambu-Gor'kov. Dans ce formalisme, la masse effective et le gap sont déterminés par les composantes normale et anormale de la self-énergie.
L'objectif final de ce projet est d'obtenir une prédiction fiable de la masse effective et du gap d'appariement dans la matière de neutrons et la matière nucléaire riche en neutrons, à partir d'une approche ab initio. Les résultats seront confrontés aux observations du refroidissement des étoiles à neutrons, par exemple à l'aide d'un code de refroidissement existant. Les étoiles à neutrons font aujourd'hui l'objet d'intenses recherches avec des radiotélescopes, des télescopes spatiaux et, plus récemment, des détecteurs d'ondes gravitationnelles. On pense que la matière à l'intérieur de ces objets est superfluide. Cette superfluidité se manifeste notamment à travers les glitches des pulsars et les courbes de refroidissement des étoiles à neutrons. Elle trouve son origine dans les interactions microscopiques entre les nucléons. Sa modélisation nécéssite donc une description microscopique de la matière des étoiles à neutrons avec des méthodes de physique nucléaire théorique. Développement de la description 'ab-initio' de la matière superfluide dans les étoiles à neutrons : calcul de la masse effective et du gap d'appariement des neutrons, et leur effets sur les observables (refroidissement, glitches, oscillations). En physique nucléaire théorique, 'ab-initio' signifie que l'on part des nucléons comme dégrés de liberté et tente à résoudre le problème à N corps quantique avec des interactions nucléon-nucléon réalistes (dérivées par la théorie de perturbation chirale). Une méthode utilisée avec succès dans la description de noyaux finis consiste à d'abord transformer l'interaction à l'aide du 'Similarity Renormalization Group' (SRG) pour ensuite pouvoir calculer perturbativement des corrections au-delà de la théorie de champ moyen ('Bogoliubov Many-Body perturbation theory').

- physique théorique (problème à N corps quantique, physique nucléaire théorique)
- programmation numérique
- compétences de communication et de rédaction
- autonomie