Première accélération d'atomes partiellement ionisés au LHC
Publié par Adrien le 14/08/2018 à 00:00
Source: Achintya Rao - Copyright CERN
Si le Grand collisionneur de hadrons (LHC) se nourrit essentiellement de protons, il ne fait pas la fine bouche lorsqu'on lui présente, de temps à autre, des mets plus exotiques. Le mercredi 25 juillet, les opérateurs ont injecté pour la toute première fois dans le collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) non pas des noyaux atomiques, mais des ions 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 viennent du...) dotés d'un seul électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.). Ils ont ainsi réalisé l'une des premières expériences de démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment...) de principe de l'Usine à gamma, une nouvelle initiative s'inscrivant dans le programme du CERN consacré à la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) au-delà des collisionneurs.


Au cours d'une exploitation spéciale d'une journée, les équipes du LHC ont injecté dans la machine des noyaux de plomb dotés d'un unique électron. (Image: Maximilien Brice, Julien Ordan/CERN)

Nous explorons de nouvelles pistes en vue d'enrichir le programme de 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...) et les infrastructures du CERN, affirme Michaela Schaumann, ingénieure auprès du LHC. La première étape consiste à déterminer les différentes possibilités. "

En temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) normal, le LHC produit un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) régulier de collisions proton-proton, puis, pendant environ les quatre semaines qui précèdent la période d'arrêt hivernal, des collisions de noyaux atomiques. Cependant, quelques jours par année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), au cours des périodes de développement machine, les physiciens des accélérateurs se lancent dans des expériences totalement inédites. Ainsi, ils ont récemment accéléré des noyaux 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...) dans le LHC et injecté dans l'accélérateur SPS d'autres types d'ions plomb partiellement " épluchés ".

Pour le 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 et les forces qui les...) Witold Krasny, coordinateur d'un groupe d'une cinquantaine de scientifiques chargé de mettre au point (Graphie) de nouvelles façons de produire des rayons gamma de haute 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.), cette exploitation spéciale du LHC a été la dernière étape d'une série de tests.

L'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui...) d'ions plomb comportant un seul électron est une tâche délicate, car ce type d'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant,...) est fragile. Comme le souligne Michaela Schaumann : "On peut facilement arracher l'électron par accident. Quand cela arrive, le noyau s'écrase contre la paroi du tube de faisceau, parce que sa charge n'est plus synchronisée avec le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par...) du LHC. "

Pour commencer, les opérateurs ont injecté dans le LHC vingt-quatre paquets d'atomes (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 autre. Il est généralement...) partiellement ionisés et sont parvenus à maintenir un faisceau stable pendant près d'une heure (L'heure est une unité de mesure  :). Ils ont ensuite fait fonctionner l'accélérateur à pleine puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) et le faisceau s'est maintenu pendant environ deux minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. ...) avant d'être éjecté dans l'absorbeur de faisceau. " Le LHC arrête automatiquement le faisceau si les particules qui s'égarent sont trop nombreuses, explique Michaela Schaumann. Notre première priorité est de protéger le LHC et ses aimants. "

Après avoir lancé le cycle de redémarrage des aimants, l'équipe a renouvelé l'expérience, mais cette fois avec seulement six paquets d'ions. Elle a fait circuler le faisceau pendant deux heures avant de l'éjecter volontairement.

D'après nos prédictions, la durée de vie de ce type de faisceau à l'intérieur du LHC est d'au moins 15 heures, déclare M. Krasny. À notre grande surprise, nous avons constaté qu'elle peut atteindre environ 40 heures. La question qui se pose désormais est de savoir si nous pouvons conserver cette même durée de vie pour des faisceaux de plus haute intensité en optimisant le paramétrage des collimateurs. Lors de cette exploitation spéciale, ces derniers étaient encore configurés pour les protons. "

L'objectif de ces tests est de déterminer si le LHC pourrait un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...) fonctionner comme une usine de rayons gamma. Dans cette configuration, les noyaux partiellement ionisés sont bombardés par un rayon laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification by...), ce qui provoque le passage de leur électron à un niveau d'énergie plus haut. En revenant à leur niveau initial, les électrons émettent une particule de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...), appelée photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...). Dans des circonstances normales, l'énergie de cette particule n'est pas très élevée. Cependant, en l'occurrence, la vitesse (On distingue :) à laquelle se déplacent les ions est déjà proche de celle de la lumière, ce qui renforce l'énergie des photons et écrase leur longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) par effet Doppler.

Les rayons gamma ainsi produits auraient suffisamment d'énergie pour créer des particules de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) " normale ", tels des quarks, des électrons, et même des muons. Étant donné que la matière et l'énergie sont deux aspects d'un même phénomène, ces rayons gamma à haute énergie devraient se transformer en particules massives, voire en de nouvelles sortes de matière, 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 sujet des galaxies. Différentes hypothèses ont été émises...) par exemple. Le dispositif pourrait également être la source de nouveaux types de faisceaux de particules, comme des faisceaux de muons.

Bien que ce scénario soit encore loin de se concrétiser, les tests de cette semaine constituent une première étape dans l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) des différentes options.
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