Thèse Développement d'Un Modèle Théorique Unifié pour Analyser les Données de Transfert et Contraindre les Taux Astrophysiques H/F - 75

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 : Chloë HEBBORN ORCID 0000000200842561
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-01T23:59:59

Une connaissance précise des taux de réactions nucléaires est essentielle pour affiner notre compréhension de l'évolution stellaire et de la nucléosynthèse au sein des étoiles [1]. La plupart de ces réactions nucléaires doivent être évaluées avec précision à des énergies très faibles. Cela rend les mesures directes de la majorité des réactions aux énergies pertinentes pour l'astrophysique très difficiles. Cela s'explique soit par la répulsion coulombienne entre les noyaux dans les réactions impliquant des particules chargées, soit par la nature radioactive des noyaux impliqués. De nos jours, des laboratoires telles que la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) permettent de synthétiser des noyaux d'intérêt astrophysique qui n'ont jamais été produits auparavant. On peut ainsi, à partir de mesures effectuées sur ces noyaux exotiques, déduire leurs propriétés et contraindre les taux astrophysiques.

Les propriétés de ces noyaux exotiques sont souvent déduites de réactions de transfert, dans lesquelles un nucléon ou un groupe de nucléons est transféré d'une cible vers le noyau exotique. Pour obtenir des informations précises et contraindre les taux à partir des données de transfert, on s'appuie sur des modèles théoriques de réaction. Par exemple, des réactions telles que ¹²C(,)¹O et ¹O(,n)²Ne ont été contraintes à l'aide de données de transfert [2,3]. Ces réactions sont pertinentes pour la combustion de l'hélium dans le coeur des étoiles et pour la nucléosynthèse par processus s dans les étoiles massives. L'analyse de ces réactions repose généralement sur deux cadres théoriques : d'abord l'approximation de Born en ondes déformées (DWBA) pour analyser les données de transfert et déduire les propriétés des systèmes exotiques, puis un formalisme de matrice R pour contraindre les taux astrophysiques (voir, par exemple, [3]). Cette combinaison de deux théories indépendantes rend difficile l'obtention de prédictions précises avec des incertitudes contrôlées. Cela limite la précision de ces analyses et motive le développement d'un nouveau cadre cohérent et unifié pour réanalyser ces données ainsi que celles issues des futures installations à faisceaux d'ions radioactifs (RIB).

L'objectif de ce projet est de repousser l'état de l'art en théorie des réactions avec les buts suivants :
1. Développer une nouvelle théorie unifiée des réactions, intégrant le formalisme de la matrice R dans le calcul des sections efficaces de transfert : cela nécessitera des développements formels ainsi que la mise au point de codes.
2. Démontrer l'applicabilité de ce formalisme en analysant des données de réactions de transfert et en en déduisant des contraintes sur les taux astrophysiques.
3. Identifier les conditions expérimentales idéales permettant de mieux contraindre ces taux.

L'étudiant(e) développera de solides compétences en structure nucléaire et en théorie des réactions, ainsi qu'en physique nucléaire aux basses énergies. Il/elle se familiarisera également avec le travail en équipe, développera des compétences en présentation et en vulgarisation, et apprendra à prendre des initiatives dans des projets collaboratifs. Sur le plan technique, il/elle améliorera ses compétences en programmation et en calcul haute performance.

Ce projet sera mené en collaboration avec le Prof. Gregory Potel de l'Université de Séville (Espagne), Dr Fairouz Hammache et le Dr Nicolas de Séréville à IJClab.

[1] Wiescher et al. Quantum physics of stars, Rev. Mod. Phys. 97, 0.25003 (2025).
[2] deBoer, ..., Hebborn, et al. The ¹²C(, )¹O reaction, in the laboratory and in the stars, EPJA 61, 70 (2025).
[3] Hammache et al., Experimental Determination of Widths of ²¹Ne Levels in the Region of Astrophysical Interest: New ¹O + Reaction Rates and Impact on the Weak s Process, Phys. Rev. Lett. 132, 182701 (2024).
[4] Tumino et al., An increase in the ¹²C + ¹²C fusion rate from resonances at astrophysical energies, Nature 557, 687 (2018).

Le développement des faisceaux radioactifs permettent de synthétiser des noyaux d'intérêt astrophysique qui n'ont jamais été produits auparavant. On peut ainsi, à partir de mesures effectuées sur ces noyaux exotiques, déduire leurs propriétés et contraindre les taux astrophysiques. Pour obtenir des informations précises et contraindre les taux à partir des données de transfert, il faut des modèles de réactions précis.

L'objectif de ce projet est de repousser l'état de l'art en théorie des réactions avec les buts suivants :
1. Développer une nouvelle théorie unifiée des réactions, intégrant le formalisme de la matrice R dans le calcul des sections efficaces de transfert : cela nécessitera des développements formels ainsi que la mise au point de codes.
2. Démontrer l'applicabilité de ce formalisme en analysant des données de réactions de transfert et en en déduisant des contraintes sur les taux astrophysiques.
3. Identifier les conditions expérimentales idéales permettant de mieux contraindre ces taux.

(i)Développer une compréhension approfondie des cadres théoriques des réactions en étudiant les théories des canaux couplés, le modèle optique, l'approximation de Born en ondes déformées (DWBA) et la théorie de la matrice R, afin de comprendre leur domaine d'applicabilité et leurs relations mutuelles.

(ii) Développer et implémenter dans un code opérationnel une théorie hybride innovante transfert/matrice R, en s'appuyant sur la compréhension acquise au point (i).

(iii) Appliquer ce nouveau formalisme à diverses données de réactions de transfert et en déduire des contraintes sur différents taux astrophysiques. Dans un premier temps, les données de transfert ²Al(d,n)²Si (récemment mesurées au FRIB) seront analysées afin de contraindre la réaction ²Al(p,)²Si. Dans un second temps, l'étude sera étendue au cas plus complexe de ¹O(Li,t)²¹Ne [3] afin de contraindre la réaction ¹O(,n)²Ne. Dans les deux cas, les incertitudes associées au modèle de réaction seront quantifiées. Si le temps le permet, une analyse préliminaire de ¹²C(¹N,d)²Mg [4] sera réalisée afin de contraindre le taux de fusion ¹²C-¹²C.