Les réactions nucléaires  
     
   
     
  Le modèle de cascade intranucléaire  
     
 
La réaction non-élastique d'une particule légère incidente sur un noyau au-delà de quelques dizaines de MeV peut se décomposer en deux étapes. La première étape très rapide, dont la durée est de 10-22 s à 10-21 s, consiste en une succession de collisions entre particules qui produit l'émission de quelques particules d'énergie élevée. Un modèle décrivant cette partie de la réaction non-élastique jusqu'à des énergies incidentes de plusieurs GeV est celui de la cascade intra-nucléaire. A l'issue de la première étape le noyau cible a généralement perdu des nucléons (protons et neutrons) et gagné de l'énergie interne, dite énergie d'excitation. La seconde étape, beaucoup plus lente (de 10-21 s à 10-14 s environ) correspond à l'émission de nucléons et de noyaux légers d'énergie cinétique plus faible que celle des particules émises lors de la première étape par un mécanisme similaire à l'évaporation par le noyau excité dans le cas des noyaux de masse intermédiaire (modèle du noyau composé), ou à la cassure du noyau dans le cas des noyaux de petite masse. Dans le cas des noyaux lourds, l'évaporation est en compétition avec la fission. Si le noyau excité fissionne, les deux noyaux fils provenant de la fission peuvent également avoir de l'énergie d'excitation et l'évacuer par évaporation. Ces différents processus sont généralement accompagnés d'émission gamma essentiellement quand l'énergie d'excitation devient faible.
  
     
 
Les réactions non-élastiques induites par des particules d'énergie élevée (plusieurs centaines de MeV à plusieurs GeV) sont appelées réactions de spallation. Elles ont lieu par exemple dans l'espace et en très haute atmosphère dans toute matière irradiée par les particules cosmiques, auprès d'accélérateurs de particules (LANL) et font partie de la chaîne de réactions dans les systèmes hybrides.
  
     
 
Le modèle de cascade intranucléaire est une simulation tri-dimensionnelle de la succession des collisions dans le noyau initiées par la particule incidente. Les différents processus (collisions entre particules, déplacement des particules à l'intérieur du noyau et à l'extérieur, absorption d'une particule par une autre pour former une particule instable, désintégration d'une particule instable en plusieurs particules, réflexion d'une particule sur les bords du noyau ...) se produisant entre le début et la fin de la première étape constituent un événement. La plupart de ces processus implique les nucléons, il peut cependant apparaître lors d'une collision des particules instables tels que des résonances Δ (sorte de nucléon de grande masse et de durée de vie très courte) ou, lors de la désintégration de celles-ci, des mésons tels que les pions. Suite aux lois de conservation, ces particules instables ne peuvent apparaître durant la cascade intra-nucléaire qu'à partir d'une certaine énergie de la particule incidente. Ainsi pour avoir une probabilité non nulle de produire un pion dans une réaction non-élastique induite par un nucléon, celui-ci doit avoir une énergie incidente d'au moins 180 MeV environ. En dessous de cette énergie, le modèle de cascade intra-nucléaire ne traite donc que les collisions entre nucléons et se rapproche d'un modèle de pré-équilibre semi-classique. Cette approche de cascade intra-nucléaire prend donc en compte la physique à l'échelle du noyau, notamment celle de l'interaction forte entre particules ainsi que les principes de conservation (conservation d'énergie et d'impulsion par exemple), et des propriétés, quantiques ou non, des particules mises en jeu.
  
     
 
Lors d'une réaction non-élastique (réaction définie par le type de la particule incidente, son énergie cinétique et le noyau cible notamment), les probabilités d'émettre les différents types de particules s'expriment en terme de sections efficaces (de production). Dans le cas d'une simulation telle que nous l'avons présentée ci-dessus, cela consiste à sommer les contributions provenant de chaque étape, et cela pour tous les événements simulés, et à diviser par le nombre total d'événements. Ces probabilités sont ensuite multipliées par un facteur appelé section efficace de réaction qui correspond à la probabilité d'avoir une réaction non-élastique dans la matière constituée de l'atome donc du noyau cible (indépendamment de ce qui est produit lors de cette réaction). Dans les figures 1 et 2, les productions de protons et de neutrons calculés aux angles indiqués sur les figures sont donc le résultat d'un nombre élevé d'événements simulés au cours desquels un ou plusieurs protons (figure 1) ou neutrons (figure 2) sont parfois émis à ces angles.
 
     
 
 
Sur la figure 1, nous avons indiqué la composante proton provenant du modèle de cascade intra-nucléaire par les zones hachurées en rouge, et la composante venant du modèle d'évaporation par les lignes bleues. La production de particules évaporées décroît rapidement avec leur énergie cinétique et s'étend généralement jusqu'à 25-30 MeV environ, la production des protons émis lors de la cascade intra-nucléaire allant bien au-delà.
 
Figure 1 : Spectres en énergie des protons émis à différents angles dans la réaction induite par des protrons d'énergie incidente égale à 62 MeV sur une cible de Fer 54. Les données expérimentales sont représentés par les points noirs. Les spectres doublement différentiels calculés par les modèles de cascade intra-nucléaire suivi de l'évaporation sont représentés par les histogrammes noirs. Les zones hachurées en rouge indiquent la composante de cascade intranucléaire et les lignes bleues celle de l'évaporation.
 
 
     
 
 
Sur la figure 2, la composante des neutrons évaporés, non présentée ici, s'étend jusqu'à 30 MeV environ; la composante des neutrons émis lors de la cascade intra-nucléaire s'étend par contre jusqu'à 800 MeV qui est l'énergie des protons incidents dans cette seconde réaction.
 
Figure 2 : Spectres en énergie des neutrons émis à différents angles dans la réaction induite par des protrons d'énergie incidente 800 MeV sur une cible de Plomb 208. Les données expérimentales sont représentés par les points noirs. Les histogrammes bleus continus représentent les spectres en énergie des neutrons provenant à la fois de la cascade intranucléaire et de l'évaporation pour les angles d'émission indiqués. Un facteur multiplicatif indiqué à gauche a été appliqué à chaque distribution pour les séparer sur le graphe.
 
 
     
 
  Consultez les expériences associées : Carmen au CEA/DAM Île-de-France