Le tétraneutron, noyau neutre composé de seulement 4 neutrons, existe-t-il ? Recherche de son état isobarique analogue dans l'4H // Does tetraneutron, a 4 neutron nucleus, exist ? Search for its isobaric analog state in 4H

L'existence du tétraneutron (noyau formé de seulement 4 neutrons, sans proton) est une question qui a été au coeur de la physique nucléaire depuis les années 1960. La recherche de ce noyau neutre, très exotique et clé pour notre compréhension des forces nucléaires a donné lieu à plusieurs annonces de sa découverte. En particulier, il a récemment été observé une résonance étroite compatible avec un tétraneutron. Cependant, malgré les efforts expérimentaux, les preuves de son existence n'ont pas fait consensus dans la communauté, .
Jusqu'ici, le seul système physique stable composé exclusivement de neutrons sont les étoiles à neutrons. Dans ce cas, les neutrons sont maintenus ensemble par gravité alors que dans le noyau, les neutrons sont seulement confinés par l'interaction nucléaire forte. C'est ici que des questions importantes demeurent. En effet, les calculs théoriques, basés sur nos connaissances actuelles des interactions à 2 et à 3 nucleons, ne permettent pas de prédire l'existence d'un tétraneutron de façon sûre.Compte tenu de l'état actuel des choses et les implications considérables de la confirmation de la résonance du 4n, il est clair que d'autres études expérimentales doivent être poursuivies. C'est pourquoi nous proposons de rechercher l'état isobarique analogue du tetraneutron dans l'4H pour mieux comprendre l'existence et les propriétés de la résonance du tétraneutron.
L'expérience aura lieu au GANIL au printemps 2025 où nous mesurerons la réaction de transfert d'une paire neutron-proton sur l'6He via la réaction 6He(p,3He). Le faisceau d'6He sera produit par fragmentation d'un faisceau de 13C sur le spectromètre LISE et sera envoyé sur une cible de protons. Le dispositif expérimental se compase d'un détecteur de particules chargées combiné à un ensemble de détecteurs de faisceau et une détection à zéro degré pour identifier les protons issus de la décroissance de l'4H. Cette expérience fait partie de la campagne MUGAST-EXOGAM démarré au GANIL en 2023 et menée par notre équipe.
L'étudiant participera à la préparation et à la réalisation de l'expérience. Il/elle sera en charge de l'analyse des données de cette expérience avec le package NPTool basé sur ROOT et GEANT3. Il/Elle prendra aussi une part active dans l'interprétation des données et pourra effectuer un séjour long (plusieurs mois) à Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA pour discuter avec les experts locaux.
Selon ses goûts, l'étudiant pourra aussi déveloper les modèles théoriques associés et faire les calculs de réaction associés basés sur les modèle de Distorted Wave Born Approximation (DWBA).
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The existence of the tetra-neutron (nucleus composed of 4 neutrons with no proton) has been a longstanding question in nuclear physics. Searches for this, ultimate, exotic nucleus have been ongoing since the 1960's, and its discovery reported several times. However, the evidence provided by these experimental efforts was not unanimously accepted by the community.
So far, the only known stable physical systems made almost exclusively of neutrons are neutron stars. While in neutron matter these particles are held together by gravity, in nuclei, the neutrons must be confined by just the strong nuclear force. It is here where some important questions still remain, as theoretical calculations based on our current knowledge of the fundamental NN and 3N interactions cannot, with sufficient confidence, predict the existence of a tetraneutron. Given the current state of affairs and the far-reaching implications of confirming the 4n resonance, it is clear that further experimental studies should be pursued. This is why we propose to search for the isobaric analog state of 4n in 4H to shed further light on the existence and properties of the tetra-neutron resonance.
The experiment to measure the neutron-proton transfer on 6He beam, 6He(p,3He) is already approved at GANIL and will be run in spring 2025. The radioactive beam of 6He will be produced by fragmentation of 13C stable beam and selected with the LISE spectrometer. The experimental set-up combines state-of-the-art particle detection (for the 3He ejectile) based on an ensemble of Silicon detectors of high resolution with beam tracking devices and zero-degree detection to identify the residual protons. It is part of the MUGAST-EXOGAM campaign on LISE at GANIL that started in 2023 and is led by our team.
The PhD student will participate to the preparation and the run of the experiment. He/She will then be in charge of the analysis of the data with the NPTool packagage based on ROOT and GEANT4. He/She will also take active part in the interpretation of the data by running the reaction models based on Distorted Wave Born Approximation (DWBA). Depending on his/her personal preference, the PhD student will develop the theoretical models to describe the isobaric analog state of 4n. These calculations will be used as input of the reaction models.
The student will have the opportunity to spend some time at Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA to discuss the data with local experts.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique

Université Paris-Saclay GS Physique

576 Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation

Formation en physique nucléaire Bonne connaissance du C/C++, ROOT et idéalement GEANT4 De bonnes connaissance expérimentales (détection de particules chargées, détecteurs gazeux....) Electronique de base Capacité à travailler en équipe
Good Background in Nuclear physics Good knowledge in C/C++, ROOT and ideally GEANT4 Experimental skills (particle detection, gaseous detectors) Basic electronics Team work