ETUDE DES REACTIONS PHOTONUCLEAIRES EFFECTUEE AVEC LE FAISCEAU DE PHOTONS MONOCHROMATIQUES DE L'ALS 600

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ETUDE DES REACTIONS PHOTONUCLEAIRES EFFECTUEE AVEC LE FAISCEAU DE PHOTONS

MONOCHROMATIQUES DE L’ALS 600

P. Carlos

To cite this version:

P. Carlos. ETUDE DES REACTIONS PHOTONUCLEAIRES EFFECTUEE AVEC LE FAISCEAU

DE PHOTONS MONOCHROMATIQUES DE L’ALS 600. Journal de Physique Colloques, 1980, 41

(C3), pp.C3-149-C3-154. �10.1051/jphyscol:1980321�. �jpa-00219840�

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque Ci, supplément au n° 4, Tome 41, avril 1980, page C3-149

ETUDE DES REACTIONS PHOTONUCLEAIRES EFFECTUEE AVEC LE FAISCEAU DE PHOTONS MONOCHROMATI- QUES DE L'ALS 600

P. Carlos

DPh-N, CEN Saclay, BP 2, 91190 Gif-sur-Yvette, France

Résumé.- Pour la première fois les sections efficaces photoneutroniques partielles et totales de 1 60 , 3 2S , "°Ca, Sn, Ce, 1 8 1T a , Pb et U ont été mesurées au-delà de la résonance géante dipolaire en utilisant un faisceau de photons monochromatiques d'énergie continûment variable. Les résultats expérimentaux montrent l'importance des courants d'échange dans l'interaction photon-noyau à moyenne énergie. En par- ticulier pour les noyaux lourds la section efficace totale d'absorption photo - nucléaire intégrée jusqu'à % = 140 MeV est pratiquement égale au double de la va- leur de la règle de somme dipolaire classique a = 60 NZ/A MeV-mb.

Astract.- Partial and total photoneutron cross-sections of 1 60 , 3 2S , " c a , Sn, Ce,

" " T a , Pb and U have been measured for the first time above the giant dipole re- sonance region using a quasi-monochromatic photon beam of continuously variable energy. Experimental results clearly indicate the contribution of exchange currents to the nuclear photo-effect. In particular the total photonuclear absorption cross- section of heavy nuclei integrated up to m = 140 MeV amounts to 1.75 ^-^classi-

cal dipole sums. °'1

1.Introduction.-La probabilité d'absorption des photons réels par un noyau dépend de l'énergie k (ou de la longueur d'onde ^)du photon absorbé comme le montre schématique- ment la figure 1.

SI ' ' 1 ' ri"

1 G M ® I

^W

© K~ër\ ^m ® ^k,Mev '

F i g . 1..- R e p r é s e n t a t i o n s c h é m a t i q u e de l a p r o b a b i - l i t é d ' a b s o r p t i o n d e s p h o t o n s r é e l s p a r un n o y a u . ( ï ) e t ( 5 ) : p h o t o e x c i t a t i o n d ' é t a t s l i é s ou d ' é t a t s

s i m p l e s du c o n t i n u .

@ : r é s o n a n c e g é a n t e d i p o l a i r e .

(t) : r é s o n a n c e q u a â r u p o l a i r e . I n t e r a c t i o n avec l e s c o u r a n t s d ' é c h a n g e .

(S) : e f f e t s p h o t o m é s o n i q u e s .

P o u r u n e é n e r g i e d ' e x c i t a t i o n k < 30 MeV e n v i r o n ( # > 6 , 5 fm) l ' é t a t n u c l é a i r e c r é é a u n e s t r u c t u r e p a r t i c u l e - t r o u s i m p l e , d o n t l a r é s o n a n c e g é a n t e d i p o l a i r e e s t l ' e x e m p l e t y p e . P o u r k > 1 4 0 MeV, l ' a b s o r p t i o n d u p h o t o n s e f a i t s u r u n n u c l é o n a v e c p r o d u c - t i o n d e p i o n s r é e l s i r ~ , IT O U a v e c e x c i t a t i o n i n t e r m é d i a i r e d e r é s o n a n c e s b a r y o n i q u e s

comme par exemple la résonance A (J=T=3/2) vers 300 MeV.

La région d'énergie comprise entre 40 MeV et 140 MeV (1,4 fm < X < 5 fm) a été pra- tiquement inexplorée, contrairement aux deux régions précédentes /1,2/, et fait l'objet des recherches actuellement entre- prises au DPh-N/MF. On s'attend à y obser- ver l'excitation d'états simples (résonan- ce quadrupolaire isovectorielle) mais aussi les effets des corrélations nucléon-

nucléon dès que X est de l'ordre de aran- deur de la distance inter-nucléons. Ce rap- port présente les premières mesures de sections efficaces photoneutroniques ef- fectuées au-delà de la résonance qéante dipolaire en utilisant le faisceau de pho- tons monochromatiques récemment mis au point à l'accélérateur linéaire d'électrons de 600 MeV de Saclay.

2.Elément de matrice de transition. Section efficace de réaction. Règles de somme.-On désigne par k l'énergie du photon, -frk son impulsion, e, sa polarisation. Le potentiel vecteur du champ de photons a pour expres-

s i o n /2-ir -ne .* *

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1980321

C3-150 JOURNAL DE PHYSIQUE

L'état initial du noyau est décrit d'absorption dipolaire s'écrit Après absorption du photon son état final, E 1 4n2

a (k) =-

Y ac ( E ~

-

E ~ ) l < $ f l ~ l ~ o > 1 2 ~ f l (4) qui peut être un état lié ou un état du con-

où k = Ef

-

Eo et D est l'opérateur élec- tinu, est décrit par I$f> ; Iqo> et I$f>

sont solutions de llhamiltonien nucléaire trique dipolaire. Les différentes règles total H = T

+

^V. de somme sont obtenues en sommant sur les 2.1.-L'élément de matrice de transition

s'écrit :

1

où

5 (r)

est le vecteur densité de courant nucléaire total.

2.2.-La section efficace de réaction photo- nucléaire est donnée par :

2n

0 Y

= = ^{1 ~}

^pf(k),

^{1 ~}

(2) où pf(k) désigne la densité des états finals.

La densité de charge à 1 corps p (?)et le vecteur densité de courant ?(;) sont reliés

états J Q f > et en utilisant la relation de fermeture : en particulier on a

est la valeur de la règle de somme dipo- laire classique,

r -I

K = --- rnA _{( 7 )}

e 2 + i 2 ~ 2

est le facteur d'augmentation de la règle de somme par rapport à oo. Ce facteur K est nul si V n'a pas de terme d'échange.

par l'équation de continuité permettant de On peut montrer /4/ que lrint6grale jus- définir un vecteur densité de courant à 1 qu'au seuil de photoproduction du pion corps

7 (g)

et un vecteur densité de courant mn = 140 MeV de la section efficace pho- à 2 corAs l;) tels que : tonucléaire totale, incluant toutes les

L

transitions multipolaires, est pratique- ment égale à la règle de somme dipolaire

div

3

+ $j-[V,d = O. ( 3

+ N Z

Au courant

3

(r) est associé l'élément de oTot(k)dk = 0,06 A(l

+

K) MeV-b (8) matrice M correspondant à la création dans Les calculs effectués récemment par W.T.

1

le noyau d'un état simple particule-trou ; Weng et al. /5/ et par M. Gari et a1./6/

au courant

(?)

est associé l'élément de ma- pour 4 ~ e , 160 et 4 0 ~ a ont montré que l'in- trice M que l'on peut interpréter par exem- troduction de corrélations à deux corps

2

ple, en considérant le terme d'échange d'i- dans la fonction d'onde et l'effet sospin dans le potentiel V, comme l'interac- de la force tenseur dans l'interaction tion du photon avec le pion virtuel échangé nucléon-nucléon conduisent à des valeurs entre une paire proton-neutron. Un calcul de K de l'ordre de 1.

réaliste des sections efficaces a (y,p) , 3.-Principe de la mesure des sections ef- o(y,n) et o(y,pn) a été effectué récemment

-

ficaces photoneutroniques.-Le faisceau de par H. Hebach et al. /3/ pour ' ~ e , " C et photons utilisé est obtenu par annihilation

160. L'introduction des termes d'échange en vol de positrons monocinétiques, d'éner- dans le potentiel V montre que la section ef- gie continûment variable, dans une cible ficace o(y,np) est prépondérante dès que mince de HLi. Nous disposons actuellement

k > 50 MeV. en salle Basse Energie de l'ALSdlun fais-

+ +

2.3.-Enfin le développement de A(r) en multi- ceau de positrons de quelques dizaines de pôles permet d'exprimer M comme une somme. nanoampères d'énergie E+ comprise entre 20 d'éléments de m+trice caractéristiques de la et 130 MeV. La figure 2 montre que c'est multipolarité de la transition. Aux énergies le faisceau de positrons de plus grande de photons de l'ordre de 100 MeV les transi- intensité dans ce domaine d'énerqie.

tions électriques dipolaires représentent 90% de l'absorption photonucléaire. En uti- lisant (3)

,

la section efficace totale

sur le flux absolu de photons monochroma-

I l I I I l 1 1 1 I

O 20 40 60 80 100 1M 150 200 250 300 ZD

E + [MeV) A

3 Io-

c

2

+

n

^V)

_a

I

A,

Fiç. 2.- Intensité de positrons disponible auprès de divers laboratoires.

Dans la cible de HLi des positrons s'annihi- lent en vol sur les électrons de la cible produisant des photons d'énergie bien défi- nie en fonction de E+ et de l'angle d'obser- vation 8, contaminés par un spectre continu associé au freinage des positrons dans le champ coulombien nucléaire et électronique.

Or lorsque l'énergie des positrons croît, le rapport du nombre de photons d'annihila- tion utiles au nombre de photons parasites de freinage décroît quand on considère les photons produits dans la direction d'arrivée des positrons. Ceci est un inconvénient ma- jeur lorsque l'on veut mesurer une petite section efficace au-delà de la résonance géante (Fig.1). En effet presque tous les produits nucléaires de réaction proviennent de l'interaction avec Pa cible nucléaire des photons de freinage d'énergie comprise entre 10 et 25 MeV, dont l'effet est accru par l'importance de la section efficace dans la région de la résonance géante. Tenant compte des distributions angulaires caractéristi- ques des processus d'annihilation et de frei- nage /7/, une recherche de minimisation de l'erreur expérimentale conduit à prendre un axe d'utilisation des photons faisant un an- gle 8 = 4 " avec l'axe d'arrivée des posii trons. On perd ainsi un facteur 50 environ

tiques, mais on gagne un facteur 10 envi-

Saclay BE

---

:::/

^{N , 1.'}

^__---

nihilation/nombre de photons parasites de

Saclay t HE ron sur le rapport nombre de photons d'an-

_*--

/~iverrnore II ,,O*-Frascati freinage lorsque les positions d'énergie

/ , E+= 85 MeV traversent une cible de HLi de

5 - 1 1 ^/ 4mm d'épaisseur. Pour soustraire le Sruit

3 - ' NBSj/ de fond associé aux photons de freinaqe

6 - R a l n z résiduels, on utilise le rayonnement de

- i e n t freinage produit dans une cible de Cu d'é-

paisseur appropriée, car pour E+ et 8 don- nés le rapport nombre de photons d'annihi- lation/nombre de photons de freinage est de l'ordre de

m.

1 Dans l'angle solide uti- le dR = 5 x 1 0 - ~ sr, le nombre de photons monochromatiques d'énergie comprise entre 25 PleV et 120 MeV est de l'ordre de lo4 photons/s

.

Les photoneutrons produits lors de l'inte- raction du faisceau de photons avec la ci- ble sont observés dans un angle solide voisin de ~ I T par un détecteur constitué d'une sphère de 250 litres remplie d'un scintillateur liquide chargé en gadolinium

/8/. Lorsqu'une réaction (y,xn) se produit,

les neutrons en nombre x sont émis simul- tanément. Mais leur temps de vie dans le scintillateur diffère de telle sorte gu'a- près thermalisation ils sont capturés par les noyaux de gadolinium à des instants différents. Ceci permet de mesurer séparé- ment, dans un intervalle de temps de 2 5 ~ s convenablement situé entre deux impulsions consécutives de l'accélérateur, les sec- tions efficaces partielles o (y,n), a2 (y

,

²ⁿ⁾

. . .

^{ox (y ,xn) avec}

+

^a(y,xnd) +.

. .

( 9 )

La section efficace photoneutronique tota- le qui dépend de l'énergie d'excitation k s 'écrit

4.-Résultats expérimentaux.-4.1-cas des noyaux légers

'

^{3 2} et " ~ a . - ~ a ^~ figure

--

---%-,,---

3 représente les sections efficaces pho- toneutroniques partielles o (y,n) =

a(y,n)

+

^o(y,np) +... et 02(~,2n) = a(y,2n)

+

^{a(y ,2np)}

+. . .

^{de 160,} mesurées jusqu'à

C3- 152 JOURNAL DE PHYSIQUE

k = 90 MeV. termes d'échange oans l'interaction, on

reproduit les valeurs expérimentales.

L'accord entre ce dernier calcul et le ré-

a ( y . 2 n i + a ( y , 2 n p i +

sultat expérimental suggère, du moins pour 160, que le processus d'interaction domi-

k l M e V i - nant à ces énergies d'excitation correspond

à l'interaction du photon avec le pion char- gé échangé entre une paire proton-neutron.

Les résultats obtenus pour 3 2 et "ca sont ~

comparables à ceux obtenus pour j 6 0 . Il

1 7

20 30 50 60 70 80 90 100 est intéressant de noter que pour ces trois

k MeV)

noyaux Fig.3.-Sections efficaces partielles 0 (Y,n) et

5 (y,n) de " 0 . La courbe en trait contlnu représen- aTot(k)dk = (0.55 2 0,08) o o (11) /k MeVn

t6 la section efficace 5(y,n) calculée par A.M.

Sarius /9/. Les courbes en tirets et en traits-points représentent respectivement les sections efficaces 0(y,n) et a(y,pn) calculées par H. ~ebach et al. / 3 / .

On n'a pas observé d'évènements photoneu- troniques (y ,xn) de multiplicité x 3 3.

Cette figure montre qu'à des énergies d'ex- citation relativement élevées par rapport au seuil énergétique de la réaction ( ~ 1 2 n ) qui est de 28,9 MeV, la valeur de 5 (y,2n) est très inférieure à celle de a, (y,n) qui est

J

On sait par ailleurs /10/ aue les valeurs de la section efficace d'absorption photo- nucléaire totale intégrée jusqulB 90 ![eV sont de l'ordre de 1,7ao. La comparaison de ces deux résultats expérimentaux montre l'im- portance des voies (y,p), (y,2p) dans le mécanisme d'absorption photonucléaire des noyaux légers, alors que ces voies sont peu représentées dans l'absorption photo- nucléaire d'un novau lourd.

donc la composante principale de la section

4 2

-Cas

^{-de_? -:%E~ux} ~ouC!S,-Ç_Q L-CEL-

La :TG

efficace photoneutronique totale. On rappelle Pb et

l,absorption photonucléaire que pour les noyaux de nombre de masse A >50 - ~ ~ - ~ ~ y a u lourd(A 120) la section effi- l'émission de deux neutrons l'emporte sur

cace photoneutronique totale otot repré- l'émission d'un seul neutron dès que l'éner-

sente plus de 95% de la section efficace gie d'excitation est supérieure de quelques

totale d'absorption photonucléaire. La me- MeV au seuil énergétique de la réaction

sure de ogot permet donc d'évaluer les dif-

(rI2n). férentes règles de somme et, en particulier,

On compare sur cette figure la section effi- de déterminer le facteur d'augmentation K cace 0 (y,n) = a (y ,n) + 5 (y,pn) de la règle de S ~ ~ m m e dipolaire-

+ ...

^à différentes prédictions théoriques. 1 Les seules mesures de section efficace to- La courbe en trait plein représente la sec- tale d'absorption photonucléaire ont été tion efficace o(y,n) calculée dans le cadre jusqu'à ce jour effectuées au Laboratoire du modèle en couches par A.M. Saruis / 9 / . Ce de Mayence par le Groupe de B. Ziegler calcul tient compte des voies de sorties /IO/ en soustrayant de la section efficace neutroniques vers les différents états exci- d'interaction photonique totale mesurée tés de 1 5 0 . La courbe tiretée représente un par la méthode d'absorption totale, qui calcul analogue, pour la section efficace inclut les interactions atomiques et nu- a(y,n) effectué par H. Hebach / 3 / . Ces deux cléaires, la valeur calculée de la section calculs ne représentent pas les valeurs ex- efficace d'interaction non nucléaire. Fais périmentales dès que lténerg?e d'excitation cette méthode expérimentale ne peut être dépasse 50 MeV, Mais si on ajoute aux va- appliquée au cas des noyaux lourds : en leurs calculées.de a(y,n) la section effica- effet aux énergies de l'ordre de 80 KeV, ce a(y,n) évaluée par H. Hebach /3/ (cour- la valeur de la section efficace photonu- be en traits-points) en introduisant les cléaire est de l'ordre de 0,l % de la va- leur de la section efficace totale d'inte-

raction et les incertitudes dans les cal- La figure 5 donne la valeur de la section culs des sections efficaces non nucléaires efficace photonucléaire totale intégrée sont trop grandes. jusqu'au seuil de,photoproduction du pion Pour les noyaux de nombre atomique supérieur en utilisant la ligne droite ajustée au-

à Z = 50, la mesure de oFot constitue une delà de 35 MeV sur les points expérimentaux.

méthode originale d'étudier en fonction du nombre de masse A l'évolution de la probabi- lité totale d'absorption photonucléaire et de déterminer jusqu'au seuil de photoproduc- tion du pion la section efficace intégrée correspondante.

La figure 4 montre la section efficace photo- neutronique totale du Pb mesurée jusqu'à k = 120 MeV /11/.

I I I , I I 1 I I I

npn

1

Fig.4.-Section efficace photoneutronique totale

u:~~~u plomb. La courbe en trait continu représente à de 60 MeV de On

la section efficace mesurée à l'accélérateur liné- a éqalement porté les valeurs obtenues par

600-

-

^500-

D E 400-

-

* cc0 300-

w 200

100-

aire d'électrons de 60 MeV de Saclay. Le meilleur

ajustement des points expérimentaux à une ligne droite ^J' Ahrens et /1°/- Les ^Obte-

pour k > 40 MeV est représenté en tirets. nus à Saclay confirment ceux obtenus à Dans la zone d'énergie s'étendant de 25 MeV Mayence pour les noyaux légers et permet-

20 40 60 80 200 120 pour la région de la résonance géante dipo-

k (MeV1

laire des données expérimentales obtenues

à 35 MeV environ la section efficace décroît tent de conclure à une valeur du facteur

I I I l

1

O 100 200

A i u m a i

Fig.5.-Valeur de la section efficace totale d'absor- ption photonucléaire intégrée jusqu'â m =140 MeV en fonction de A. Les points expérimentaux de a Mayence /IO/ ( + ) ne tiennent pas compte des erreurs systèmatiques.

Les valeurs ainsi obtenues tiennent compte

'

^{'" tot}

en d'augmentation K compris entre 0 , 7 et 1

-

1 pour tous les noyaux de masse A

>

^8.

(k

-

^{ko) *+ (r/2)}

*

Les valeurs expérimentales des règles de comme on doit s'y attendre.puisque cette somme

bande d'énergie se situe dans la partie à

haute énergie de la résonance géante dipolai-

_,

r 10

t

.LO

t

..30

+

C L

re de largeur

r

⁼ 4,05 MeV, centrée en k = O

13,4 MeV. De 40 MeV à 120 MeV, la dépendance

~ * ~ f ~ ~ ~ ~ ~ t - ~ + - ~ ~ \ ~ - + ~ - - / + - - ~ ~

I l I l I I I I I I I

en énergie de la section efficace est raison- associées respectivement a,ux valeurs moyen- nablement représentée par une ligne droite nes dans l'état fondamental du noyau des passant par les valeurs 17,s m b à 40 MeV et rayons quadratiques moyens et de la polari- 12,3 mb à 110 MeV. sabilité nueléaire, ainsi que l'évolution Les sections efficaces correspondantes de de la multiplicité neutronique en fonction Sn, Ce, '"~a et U présentent un comportement de l'énergie d'excitation doivent aussi analogue en fonction de l'énergie1 d'excita- permettre une meilleure compréhension de tion k. Au-delà de 35 MeV cette variation en l'interaction photonucléaire.

fonction de k de observée pour la pre- mière fois dans le cas des noyaux lourds, n'a pas encore reçu d'explication satisfaisante.

C3- 154 JOURNAL DE PHYSIQUE

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