Ce cours aborde les concepts et domaines d’application de la physique nucléaire moderne. Les noyaux sont des systèmes microscopiques complexes où se manifestent des structures et des phénomènes variés (déformations, halos, superfluidité, modes d'excitations collectifs...) qui reflètent les propriétés fondamentales de l'interaction forte. La compréhension de ce domaine de physique très riche passe par la formalisation du problème quantique à N corps. La connaissance des noyaux et des différents états de la matière nucléaire est indispensable pour expliquer l'évolution de l'Univers et les phénomènes astrophysiques qui s'y déroulent (nucléosynthèse, évolution stellaire, événements explosifs, structure des étoiles compactes...) dans un contexte très interdisciplinaire. Le cours proposé s'articule en quatre parties : une présentation phénoménologique de la physique du noyau, mettant en avant les nouveaux défis posés par les noyaux exotiques ; des éléments théoriques pour le traitement du problème à N corps portant sur les approches de champ moyen et au-delà (notamment le concept de brisure et restauration de symétries) ; deux parties de physique astronucléaire, abordant respectivement les différents processus de nucléosynthèse et la physique des étoiles compactes, en relation avec des problématiques de recherche actuelles.

Pré-requis :
Ce cours s’appuie sur les connaissances de physique nucléaire et de physique quantique acquises au niveau M1. Des fiches de rappels sur les bases indispensables seront disponibles.
I. Structure et réactions : aspects phénoménologiques (Camille Ducoin – 12h)
Enjeux actuels : Noyaux exotiques, motivations scientifiques et défis expérimentaux (production de faisceaux radioactifs, instrumentation de nouvelle génération). Relations avec l'astrophysique (nucléosynthèse, structure et évolution stellaire).
Structure nucléaire : Etats individuels, modes collectifs, superfluidité, déformation, clusters. A l'écart de la stabilité : noyaux à halos, noyaux moléculaires, évolution des nombres magiques dans les noyaux exotiques. En lien avec la partie III (problème à N corps)
Matière nucléaire et équation d'état : Propriété de saturation, incompressibilité, énergie de symétrie. Transition liquide-gaz : observables expérimentales, application aux collisions d'ions lourds et à

l'astrophysique. En lien avec les parties III (problème à N corps) et IV (étoiles compactes)
Réactions nucléaires : Diffusion, modèle optique, réactions directes, noyaux composés, théorie de Hauser-Feschbach. Taux de réaction en astrophysique nucléaire : réactions thermonucléaire, fenêtre de Gamow, méthodes de mesures directes et indirectes.

II. Nucléosynthèse et physique nucléaire associée (Camille Ducoin – 8h) Nucléosynthèse primordiale : Univers primordial : thermo-chronologie. Apparition des nucléons, déclenchement et arrêt des réactions nucléaires, notion de réseau de réactions. Rôle du paramètre cosmologique de densité baryonique. Données observationnelles. Problème de l'abondance du lithium.

Nucléosynthèse au coeur des étoiles : Phases de combustions successives à l'équilibre hydrostatique : de l'hydrogène au fer. Combustion de l'hydrogène : cycles proton-proton et CNO, question des neutrinos solaires. Combustion de l'hélium, rôle des résonances nucléaires (état de Hoyle, survie du carbone...). Phases de combustion avancées, problématique de la fusion des ions légers.

Autres processus de nucléosynthèse : Formation des noyaux lourds dans les étoiles géantes rouges (processus s). Nucléosynthèse explosive : processus r, p, rp , discussion des différents sites et scénarios possibles, données observationnelles, implication des noyaux exotiques. En lien avec la partie IV (étoiles compactes)

Recherches en physique astronucléaire : Problématiques actuelles concernant différents processus de nucléosynthèse. Exemples de travaux expérimentaux récents. Aspects techniques : mesures de sections efficaces en vol ou par activation, mesures de masse de haute précision, utilisation de faisceaux exotiques, recherche et caractérisation de résonances, lutte contre le bruit de fond. Impact des résultats sur la connaissance des phénomènes astrophysiques.

III. Théorie du problème à N corps (Karim Bennaceur – 10h) Globalement en lien avec la partie I (phénoménologie)
Problème à N corps : Approximation du problème à N corps, approches relativistes et non relativistes. Fonctions d'onde à N corps et à 1 corps. Champ moyen schématique.

Champ moyen auto-cohérent : Principe variationnel. Méthode de Hartree-Fock. Fonctionnelle de la densité d'énergie : Interactions effectives. Applications aux noyaux finis et
à la matière nucléaire infinie. En lien avec la partie IV (étoiles compactes) Appariement : Seconde quantification et théorème de Wick. Corrélations d'appariement et

méthode de Hartree-Fock-Bogolyubov.

Au-delà de l'approximation du champ moyen : Limitations du champ moyen. Brisure et restauration de symétries. Méthode de la coordonnée génératrice. Application aux calculs d'états collectifs.
IV. Equation d'état et étoiles compactes (Jérôme Margueron – 6h) Structure et propriétés des étoiles compactes : Formation des étoiles compactes par effondrement gravitationnel (supernovae type II) et surtout les problèmes et limitations actuelles de nos connaissances sur ce sujet, cas de la fontaine à supernovae, composition et propriétés caractéristiques (superfluidité, refroidissement, ralentissement et Glitches géants). Application de la relativité générale aux étoiles compactes. Rôle du champ magnétique. En lien avec la partie II (nucléosynthèse)

Matière dense et uniforme : Equation d'état, conséquences observationnelles. Comment l'observation des pulsars et des sursauts X peut-elle affiner notre connaissance des étoiles compactes ? - En lien avec les parties I (phénoménologie) et III (problème à N corps)

Matière dense non-uniforme : Equation d’état, propriétés de l’écorce des étoiles à neutrons. Description statistique de noyaux dans la matière diluée. Conséquences observationnelles.