Les opérateurs d'accélérateurs peuvent effectuer des acrobaties étonnantes avec des faisceaux de particules, plus récemment dans le Super Synchrotron à Protons (SPS), Le deuxième plus grand accélérateur du CERN. Pour la première fois, ils ont injecté avec succès un faisceau de particules de xénon partiellement ionisées dans le SPS et l'ont accéléré. Avant leur injection dans le SPS, ces atomes ont été dépouillés de 39 de leurs 54 électrons.

Lors du premier essai, qui a eu lieu en septembre, le faisceau a été injecté dans l'anneau du SPS et a circulé pendant environ une seconde. Maintenant, le faisceau a été accéléré pour la première fois, atteignant une énergie de 81,6 gigaélectronvolts (GeV) par nucléon.

Ce qui rend cette performance si remarquable, c'est que ces faisceaux d'atomes de xénon partiellement ionisés sont extrêmement fragiles et ont une durée de vie très courte. Si un atome perd un seul de ses 15 électrons, il change d'orbite et est perdu. "Le vide du SPS n'est pas tout à fait aussi élevé que celui du LHC. Les molécules de gaz résiduelles présentes dans la chambre à vide perturbent le faisceau, ce qui explique qu'il se perd assez vite, " dit Reyes Alemany, qui est responsable des tests SPS. « Mais maintenir le faisceau pendant un cycle dans le SPS est déjà un résultat très prometteur ! »

Alors pourquoi les physiciens des accélérateurs expérimentent-ils avec ces atomes ? Il s'agit de tester une idée originale :une source de rayons gamma de haute intensité (photons d'énergies de l'ordre du mégaélectronvolt (MeV)). Cette usine gamma, comme on le sait, générerait des photons jusqu'à 400 MeV en énergie et à des intensités comparables à celles des synchrotrons ou des lasers à électrons libres à rayons X (XFEL). Les XFEL produisent des faisceaux de rayons X à haute intensité, c'est-à-dire photons d'une énergie inférieure à environ 100 kiloélectronvolts (keV).

"Une source de ce genre ouvrirait la voie à des études jamais faites auparavant en physique fondamentale, dans les domaines de l'électrodynamique quantique ou de la recherche sur la matière noire, " explique Witold Krasny, un physicien du CNRS et associé du CERN qui a fondé le projet et anime le groupe de travail. "Cela ouvre également la porte aux applications industrielles et médicales." Il pourrait même servir de banc d'essai à une future usine à neutrinos ou à un collisionneur de muons.

Le principe est d'accélérer des atomes partiellement ionisés puis de les exciter à l'aide d'un laser. En revenant à leur état stable, les atomes libèrent des photons de haute énergie.

L'équipe a profité de la présence de xénon dans le complexe d'accélérateurs pour réaliser ce premier test sans perturber les autres programmes de physique en cours. L'année prochaine, pendant l'exploitation des ions lourds du LHC, l'équipe répétera l'expérience en utilisant des atomes de plomb ionisés, qui sera dépouillé de tout sauf un ou deux électrons. Ces faisceaux seront beaucoup plus stables; avoir moins d'électrons signifie que les atomes risquent moins de les perdre. En outre, leurs électrons ne se trouvent que dans la couche "K", le plus proche du noyau, et ont donc un lien plus fort avec le noyau que dans les atomes de xénon. Les faisceaux d'ions lourds pourraient être accélérés d'abord dans le SPS puis dans le LHC.

Le projet d'usine gamma fait partie de l'étude Physics Beyond Colliders, qui a été lancé en 2016 dans le but d'étudier toutes les expériences possibles sans collisionneur, en particulier celles qui pourraient être réalisées à l'aide du complexe d'accélérateurs du CERN. Des centaines de scientifiques sont attendus à la conférence annuelle Physics Beyond Colliders au CERN fin novembre.