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Posté par Adrien le Dimanche 29/10/2017 à 01:50
Premiers essais pour une usine à photons
Les opérateurs des accélérateurs réalisent d'étonnantes acrobaties avec les faisceaux. Leur dernière prouesse en date s'est déroulée dans le Supersynchrotron à protons (SPS), deuxième plus grand accélérateur du CERN. Ils ont réussi pour la première fois à y injecter un faisceau d'atomes de xénon (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le xénon est un gaz noble, inodore et incolore. Dans une lampe à décharge, il émet une lumière bleue.) partiellement ionisés, puis à l'accélérer. Avant d'être injectés dans le SPS, ces atomes ont été dépouillés de 39 de leurs 54 électrons.


Le Supersynchrotron à protons (SPS) lors d'un arrêt technique (Image: Max Brice/CERN)

Lors du premier essai, en septembre, le faisceau avait été injecté, puis avait circulé une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...) environ. Cette fois-ci, le faisceau a pour la première fois été accéléré, atteignant l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de 81,6 GeV par nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de nucléons...).

La performance est remarquable car ces faisceaux d'atomes de xénon partiellement ionisés sont extrêmement fragiles, et ont une durée de vie (La vie est le nom donné :) très courte. Si un seul des 15 électrons est arraché de son atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...), ce dernier change d'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la...) et est perdu. "Le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) du SPS n'est pas aussi poussé que dans le LHC. Les molécules de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...) résiduelles dans la chambre à vide perturbent le faisceau, ce qui explique qu'on le perde assez vite, explique Reyes Alemany, responsable des essais dans le SPS. Mais conserver le faisceau sur un cycle du SPS est déjà un résultat très encourageant !"

Si les physiciens des accélérateurs jonglent avec les atomes, c'est pour tester une idée novatrice: une source de rayons gamma (photons d'énergie de l'ordre du MeV) avec des intensités très élevées. Cette "usine gamma" générerait des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point...) jusqu'à 400 MeV, avec des intensités semblables à celles des synchrotrons ou lasers à électrons libres à rayons X. Ces derniers produisent en effet des faisceaux très intenses, mais de rayons X, c'est à dire de photons avec des énergies inférieures à environ 100 kiloélectronvolts (keV).

"Une telle source ouvre des perspectives d'études inédites en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), dans le domaine de l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme Lagrangien relativiste.), ou dans la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) de la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au...), explique Witold Krasny, physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers...) du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) associé au CERN, à l'origine du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...), et qui dirige le groupe de travail. Elle ouvre également la voie à des applications industrielles et médicales." Elle pourrait même servir de banc d'essai pour une usine à neutrinos ou un collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de muons du futur.

Le principe consiste à accélérer des atomes partiellement ionisés, puis à les exciter à l'aide d'un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...). En revenant à leur état stable, les atomes émettent des photons de haute énergie.

Profitant de la présence de xénon dans le complexe d'accélérateurs, l'équipe a pu réaliser ce premier test sans perturber les programmes en cours, comme celui du LHC. L'an prochain, pendant le programme d'ions lourds pour le LHC, elle retentera l'expérience avec des atomes de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole...) ionisés, ne conservant qu'un ou deux électrons. De tels faisceaux seront bien plus stables. Ces atomes comportent en effet moins d'électrons, il y a donc moins de risque de les perdre. De surcroît, ces électrons occupent seulement la couche "K", plus proche du noyau, avec lequel ils ont une liaison plus forte. De tels faisceaux pourraient être accélérés dans le SPS, puis dans le LHC.

Le projet d'usine gamma s'inscrit dans le cadre de l'étude "Physics beyond colliders" (Physique au-delà des collisionneurs). Lancée en 2016, l'initiative a pour objectif d'étudier toutes les possibilités d'expériences hors collisionneur, notamment avec le complexe d'accélérateurs du CERN. Plusieurs centaines de scientifiques sont attendus à la conférence annuelle "Physics beyond colliders", qui se tiendra fin novembre au CERN.
 
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Source: Kate Kahle - Copyright CERN