Dans une réaction nucléaire dite « de spallation », un faisceau de particules énergétiques – par exemple des protons accélérés à quelques centaines de MeV – bombarde une cible. Les protons incidents subissent une série de collisions avec les nucléons (protons et neutrons) composant les noyaux de la cible et éjectent quelques-uns des nucléons heurtés. Cette première étape, rapide – appelée cascade intranucléaire – est suivie de la désexcitation lente du noyau résiduel.
En étroite collaboration avec l'Université de Liège, un groupe de l'Irfu a développé de longue date un modèle de cascade intranucléaire, intégré à un code de simulation Monte-Carlo : INCL (Intra Nuclear Cascade from Liège). Couplé à un code de désexcitation, INCL aide à mettre au point des examens de protonthérapie et décrit des sources de neutrons utilisant la spallation.
Cependant, pour étendre le domaine de validité d'INCL à plus haute énergie (20 GeV), les chercheurs ont dû introduire dans leur modèle des particules « étranges » - qui contiennent un quark ou antiquark étrange (s ou strange) – car la formation de cette variété de quarks, d'énergie plus élevée que les quarks « ordinaires » (up et down), devient possible au cours de la cascade intranucléaire. Pour cela, ils ont intégré à leur code quelque… 400 sections efficaces de particules exotiques ! 17% des valeurs étaient connues grâce à des expériences, 55% ont pu être déduites d'autres valeurs, mais 28 % d'entre elles (plus de 100) ont dû être déterminées à l'aide de modèles.
La capacité d'INCL à décrire la création de particules étranges a été testée avec succès grâce à des données expérimentales provenant de diverses installations à travers le monde.
L'extension d'INCL est particulièrement intéressante pour étudier de manière plus précise les noyaux formés par l'interaction du rayonnement cosmique – composé à 87 % de protons, 12 % de noyaux d'hélium et 1 % de d'ions plus lourds – avec les météorites et les planètes qu'il rencontre, et ainsi mieux comprendre l'histoire de ces corps célestes.
Elle permettra aussi d'approfondir la connaissance des hypernoyaux, dans lesquels un nucléon est remplacé par une ou plusieurs particules contenant un quark étrange, et en particulier d'analyser l'impact de l'étrangeté sur les propriétés fondamentales des noyaux, notamment leur temps de vie et le déplacement de la ligne de stabilité relative au nombre de neutrons.
Enfin, les concepteurs d'INCL sont sollicités pour de futures extensions aux interactions antiproton-noyau, pour des expériences sur l'antimatière au Cern et la collaboration Panda à FAIR (Facility for Antiprotons and Ions Research), en Allemagne. À suivre…