New findings on the onset of thermal disassembly in spallation reactions

L'investigation des voies de décroissance d'un noyau excité au-dessus de l'énergie de liaison est l'un des grands sujets de recherche de la physique nucléaire. A partir des années quatre-vingt, la présence d'autres voies de décroissance que la fission et l'évaporation des résidus a été prédite et mise en évidence dans des systèmes nucléaires très excités. Ces voies ont été décrites comme l'explosion du noyau chaud et la dilution en de nombreux fragments, formés simultanément, dans des situations de coexistence de phases liquide et gazeuse de la matière nucléaire. Plusieurs types de collisions ont été étudiés pour induire l'excitation nécessaire à la désintégration du noyau et pour mettre en évidence les propriétés déterminantes de ce processus. Un cas particulier intéressant est celui de la "multifragmentation thermique", le processus de cassure multiple d'un noyau chaud quand l'excitation est quasiment purement thermique, c'est à dire que les effets dynamiques comme la compression (caractéristiques des collisions d'ions lourds à l'énergie de Fermi) sont négligeables. Les réactions particulièrement adaptées sont les collisions induites par les protons. Au cours des dernières années, un large programme expérimental conduit au FRS (Fragment separator, GSI, Darmstadt) focalisé sur l'étude des propriétés fondamentales des résidus de spallation et fragmentation a abouti à l'étude des systèmes $^(56)Fe +p, ^(56)Fe + ^(nat)Ti, ^(136)Xe + p, ^(136)Xe + ^(nat)Ti$ à 1 A GeV. Pour les quatre systèmes, la cinématique inverse nous a permis d'observer toutes les particules sans aucun seuil en énergie. La forme complexe du spectre en vitesse permet d'identifier des différents canaux de désexcitation et manifeste clairement la transition d'un processus en prévalence chaotique (nuage gaussien dans l'espace des vitesses) vers un processus dominé directement par la répulsion columbienne, ou éventuellement par l'expansion (couche sphérique dans l'espace des vitesses). En nous concentrant sur les systèmes $^(56)Fe + p, ^(136)Xe + p$, différentes descriptions possibles du processus de réaction sont discutées, basées soit sur la fission asymétrique ou sur la multifragmentation, caractérisée par des cassures rapides très asymétriques. Une discussion est dédiée explicitement à décrire comment, et sur la base de quelles hypothèses, il a été possible d'extraire des sections efficaces invariantes à partir des mesures inclusives. L'outil mathématique développé à ce propos constitue un nouveau concept dans les expériences au FRS et il établit un lien avec d'autres types de données expérimentales, comme celles obtenues dans des mesures exclusives.Une discussion particulière est étendue à d'autres aspects, comme la dépendance en température de la composition isotopique des résidus et le ré-établissement des caractéristiques de la structure nucléaire dans la production isotopique. Ces recherches s'inscrivent dans le programme de l'aval du cycle électronucléaire, et de nombreuses applications comme la conception des cibles de spallation pour des réacteurs hybrides dédiés à la production d'énergie ainsi qu'à l'incinération des actinides peuvent en profiter. En particulier nous avons mis en évidence que les effets de l'introduction de l'étape de la multifragmentation dans un modèle de spallation peuvent jouer un rôle important pour des énergies incidentes autour de 1 A GeV, et améliorer notablement la reproduction des données expérimentales tant pour la production isotopique que pour la description de la cinématique d'émission des fragments légers.Cette étude est ainsi essentielle pour progresser dans l'étude fondamentale des phénomènes astrophysiques, comme la nucléosynthèse et les propriétés de la matière dans des étoiles à neutrons.NI

Validation of Geant4 nuclear reaction models for hadrontherapy and preliminary results with SMF and BLOB

Reliable nuclear fragmentation models are of utmost importance in hadrontherapy, where Monte Carlo (MC) simulations are used to compute the input parameters of the treatment planning software, to validate the deposited dose calculation, to evaluate the biological effectiveness of the radiation, to correlate the bþ emitters production in the patient body with the delivered dose, and to allow a non- invasive treatment verification. Despite of its large use, the models implemented in Geant4 have shown severe limitations in reproducing the measured secondaries yields in ions interaction below 100 MeV/A, in term of production rates, angular and energy distributions [1–3]. We will present a benchmark of the Geant4 models with double-differential cross sec- tion and angular distributions of the secondary fragments produced in the 12C fragmentation at 62 MeV/A on thin carbon target, such a benchmark includes the recently implemented model INCL++ [4,5]. Moreover, we will present the preliminary results, obtained in simulating the same interaction, with SMF [6] and BLOB [7]. Both, SMF and BLOB are semiclassical one-body approaches to solve the Boltzmann-Langevin equation. They include an identical treatment of the mean-field propagation, on the basis of the same effective interaction, but they differ in the way fluctuations are included. In particular, while SMF employs a Uehling-Uhlenbeck collision term and introduces fluctuations as projected on the density space, BLOB introduces fluctuations in full phase space through a modified collision term where nucleon-nucleon correlations are explicitly involved. Both of them, SMF and BLOB, have been developed to sim- ulate the heavy ion interactions in the Fermi-energy regime. We will show their capabilities in describing 12C fragmentation foreseen their implementation in Geant4

Heavily-doped Germanium on Silicon with Activated Doping Exceeding 1020 cm−3 as an Alternative to Gold for Mid-infrared Plasmonics

Ge-on-Si has been demonstrated as a platform for Si foundry compatible plasmonics. We use laser thermal annealing to demonstrate activated doping levels >1020 cm-3 which allows most of the 3 to 20 μm mid-infrared sensing window to be covered with enhancements comparable to gold plasmonics

Tunability and Losses of Mid-infrared Plasmonics in Heavily Doped Germanium Thin Films

Heavily-doped semiconductor films are very promising for application in mid-infrared plasmonic devices because the real part of their dielectric function is negative and broadly tunable in this wavelength range. In this work we investigate heavily n-type doped germanium epilayers grown on different substrates, in-situ doped in the $10^{17}$ to $10^{19}$ cm$^{-3}$ range, by infrared spectroscopy, first principle calculations, pump-probe spectroscopy and dc transport measurements to determine the relation between plasma edge and carrier density and to quantify mid-infrared plasmon losses. We demonstrate that the unscreened plasma frequency can be tuned in the 400 - 4800 cm$^{-1}$ range and that the average electron scattering rate, dominated by scattering with optical phonons and charged impurities, increases almost linearly with frequency. We also found weak dependence of losses and tunability on the crystal defect density, on the inactivated dopant density and on the temperature down to 10 K. In films where the plasma was optically activated by pumping in the near-infrared, we found weak but significant dependence of relaxation times on the static doping level of the film. Our results suggest that plasmon decay times in the several-picosecond range can be obtained in n-type germanium thin films grown on silicon substrates hence allowing for underdamped mid-infrared plasma oscillations at room temperature.Comment: 18 pages, 10 figure

Ge-on-Si Based Mid-infrared Plasmonics

In the last decade, silicon photonics has undergone an impressive development driven by an increasing number of technological applications. Plasmonics has not yet made its way to the microelectronic industry, mostly because of the lack of compatibility of typical plasmonic materials with foundry processes. In this framework, we have developed a plasmonic platform based on heavily n-doped Ge grown on silicon substrates. We developed growth protocols to reach n-doping levels exceeding 1020 cm-3, allowing us to tune the plasma wavelength of Ge in the 3-15 μm range. The plasmonic resonances of Ge-on-Si nanoantennas have been predicted by simulations, confirmed by experimental spectra and exploited for molecular sensing. Our work represents a benchmark for group-IV mid-IR plasmonics

Interactions between Type 1 Interferons and the Th17 Response in Tuberculosis: Lessons Learned from Autoimmune Diseases

textabstractThe classical paradigm of tuberculosis (TB) immunity, with a central protective role for Th1 responses and IFN-γ-stimulated cellular responses, has been challenged by unsatisfactory results of vaccine strategies aimed at enhancing Th1 immunity. Moreover, preclinical TB models have shown that increasing IFN-γ responses in the lungs is more damaging to the host than to the pathogen. Type 1 interferon signaling and altered Th17 responses have also been associated with active TB, but their functional roles in TB pathogenesis remain to be established. These two host responses have been studied in more detail in autoimmune diseases (AID) and show functional interactions that are of potential interest in TB immunity. In this review, we first identify the role of type 1 interferons and Th17 immunity in TB, followed by an overview of interactions between these responses observed in systemic AID. We discuss (i) the effects of GM-CSF-secreting Th17.1 cells and type 1 interferons on CCR2+ monocytes; (ii) convergence of IL-17 and type 1 interferon signaling on stimulating B-cell activating factor production and the central role of neutrophils in this process; and (iii) synergy between IL-17 and type 1 interferons in the generation and function of tertiary lymphoid structures and the associated follicular helper T-cell responses. Evaluation of these autoimmune-related pathways in TB pathogenesis provides a new perspective on recent developments in TB research

Violent Nuclear Reactions: Large-Amplitude Nuclear Dynamic Phenomena in Fermionic Systems

Violent nuclear collisions are open systems which require a non--equilibrium description when the process should be followed from the first instants.The heated system produced in the collision, can no more be treated within an independent-particle picture and additional correlations should be taken into account: they rely to in-medium dissipation and phase-space fluctuations.Their interplay with the one-body collective behaviour activates the transport dynamics: large-amplitude fluctuations and bifurcations in a variety of mechanisms appear, from fusion to neck formation till eventually freezing out the system into several intermediate-mass clusters.Starting from fundamental concepts tested on nuclear matter, a microscopic description is built up to address violent processes occurring in heavy-ion collisions at Fermi energies and in spallation reactions, and it is applied to experimental observables

New findings on the onset of thermal disassembly in spallation reactions

L'investigation des voies de décroissance d'un noyau excité au-dessus de l'énergie de liaison est l'un des grands sujets de recherche de la physique nucléaire. A partir des années quatre-vingt, la présence d'autres voies de décroissance que la fission et l'évaporation des résidus a été prédite et mise en évidence dans des systèmes nucléaires très excités. Ces voies ont été décrites comme l'explosion du noyau chaud et la dilution en de nombreux fragments, formés simultanément, dans des situations de coexistence de phases liquide et gazeuse de la matière nucléaire. Plusieurs types de collisions ont été étudiés pour induire l'excitation nécessaire à la désintégration du noyau et pour mettre en évidence les propriétés déterminantes de ce processus. Un cas particulier intéressant est celui de la "multifragmentation thermique", le processus de cassure multiple d'un noyau chaud quand l'excitation est quasiment purement thermique, c'est à dire que les effets dynamiques comme la compression (caractéristiques des collisions d'ions lourds à l'énergie de Fermi) sont négligeables. Les réactions particulièrement adaptées sont les collisions induites par les protons. Au cours des dernières années, un large programme expérimental conduit au FRS (Fragment separator, GSI, Darmstadt) focalisé sur l'étude des propriétés fondamentales des résidus de spallation et fragmentation a abouti à l'étude des systèmes $^(56)Fe +p, ^(56)Fe + ^(nat)Ti, ^(136)Xe + p, ^(136)Xe + ^(nat)Ti$ à 1 A GeV. Pour les quatre systèmes, la cinématique inverse nous a permis d'observer toutes les particules sans aucun seuil en énergie. La forme complexe du spectre en vitesse permet d'identifier des différents canaux de désexcitation et manifeste clairement la transition d'un processus en prévalence chaotique (nuage gaussien dans l'espace des vitesses) vers un processus dominé directement par la répulsion columbienne, ou éventuellement par l'expansion (couche sphérique dans l'espace des vitesses). En nous concentrant sur les systèmes $^(56)Fe + p, ^(136)Xe + p$, différentes descriptions possibles du processus de réaction sont discutées, basées soit sur la fission asymétrique ou sur la multifragmentation, caractérisée par des cassures rapides très asymétriques. Une discussion est dédiée explicitement à décrire comment, et sur la base de quelles hypothèses, il a été possible d'extraire des sections efficaces invariantes à partir des mesures inclusives. L'outil mathématique développé à ce propos constitue un nouveau concept dans les expériences au FRS et il établit un lien avec d'autres types de données expérimentales, comme celles obtenues dans des mesures exclusives.Une discussion particulière est étendue à d'autres aspects, comme la dépendance en température de la composition isotopique des résidus et le ré-établissement des caractéristiques de la structure nucléaire dans la production isotopique. Ces recherches s'inscrivent dans le programme de l'aval du cycle électronucléaire, et de nombreuses applications comme la conception des cibles de spallation pour des réacteurs hybrides dédiés à la production d'énergie ainsi qu'à l'incinération des actinides peuvent en profiter. En particulier nous avons mis en évidence que les effets de l'introduction de l'étape de la multifragmentation dans un modèle de spallation peuvent jouer un rôle important pour des énergies incidentes autour de 1 A GeV, et améliorer notablement la reproduction des données expérimentales tant pour la production isotopique que pour la description de la cinématique d'émission des fragments légers.Cette étude est ainsi essentielle pour progresser dans l'étude fondamentale des phénomènes astrophysiques, comme la nucléosynthèse et les propriétés de la matière dans des étoiles à neutrons.NI