Les protons pourraient être le pain et le beurre du Grand collisionneur de hadrons, mais cela ne veut pas dire qu'il ne peut pas avoir envie de goûts plus exotiques de temps en temps. Mercredi, 25 juillet, pour la toute première fois, les opérateurs ont injecté non seulement des noyaux atomiques, mais aussi des « atomes » de plomb contenant un seul électron dans le LHC. Ce fut l'un des premiers tests de preuve de principe pour une nouvelle idée appelée la Gamma Factory, dans le cadre du projet Physics Beyond Colliders du CERN.

« Nous étudions de nouvelles idées sur la façon dont nous pourrions élargir le programme de recherche et l'infrastructure actuels du CERN, " dit Michaela Schaumann, un ingénieur LHC en charge. « Découvrir ce qui est possible est la première étape. »

En fonctionnement normal, le LHC produit un flux constant de collisions proton-proton, puis brise les noyaux atomiques pendant environ quatre semaines juste avant la fermeture hivernale annuelle. Mais pendant quelques jours par an, les physiciens des accélérateurs peuvent essayer quelque chose de complètement nouveau pendant les périodes de développement des machines. Précédemment, ils ont accéléré des noyaux de xénon dans le LHC et testé d'autres types d'ions plomb partiellement dépouillés dans l'accélérateur SPS.

"Cette exploitation spéciale du LHC était vraiment la dernière étape d'une série de tests, " dit le physicien Witold Krasny, qui coordonne un groupe d'étude d'environ 50 scientifiques pour développer de nouvelles façons de produire des rayons gamma de haute énergie.

Accélérer des noyaux de plomb avec un électron restant peut être difficile en raison de la fragilité de ces atomes. "C'est vraiment facile d'enlever accidentellement l'électron, " explique Schaumann. " Quand cela arrive, le noyau s'écrase contre la paroi du tube du faisceau parce que sa charge n'est plus synchronisée avec le champ magnétique du LHC."

Lors de la première course, les opérateurs ont injecté 24 paquets d'"atomes" et obtenu un faisceau stable à basse énergie à l'intérieur du LHC pendant environ une heure. Ils ont ensuite monté le LHC à pleine puissance et maintenu le faisceau pendant environ deux minutes avant qu'il ne soit éjecté dans la décharge de faisceau. "Si trop de particules s'écartent de leur trajectoire, le LHC décharge automatiquement le faisceau, " déclare Schaumann. "Notre principale priorité est de protéger le LHC et ses aimants."

Après avoir fait passer les aimants à travers le cycle de redémarrage, Schaumann et ses collègues ont réessayé, cette fois avec seulement six grappes. Ils ont fait circuler le faisceau pendant deux heures avant de le jeter intentionnellement.

"Nous avons prédit que la durée de vie de ce type spécial de faisceau à l'intérieur du LHC serait d'au moins 15 heures, " dit Krasny. " Nous avons été surpris d'apprendre que la durée de vie pouvait atteindre environ 40 heures. Maintenant, la question est de savoir si nous pouvons préserver la même durée de vie du faisceau à une intensité plus élevée en optimisant les réglages du collimateur, qui étaient encore configurés pour les protons pendant cette course spéciale."

Les physiciens font ces tests pour voir si le LHC pourrait un jour fonctionner comme une usine de rayons gamma. Dans ce scénario, les scientifiques tireraient sur les "atomes" en circulation avec un laser, faisant sauter l'électron dans un niveau d'énergie plus élevé. Au fur et à mesure que l'électron retombe, il crache une particule de lumière. Dans des circonstances normales, cette particule de lumière ne serait pas très énergétique, mais parce que "l'atome" se déplace déjà à une vitesse proche de la lumière, l'énergie du photon émis est augmentée et sa longueur d'onde est comprimée (en raison de l'effet Doppler).

Ces rayons gamma auraient une énergie suffisante pour produire des particules de "matière" normales, comme les quarks, des électrons et même des muons. Parce que la matière et l'énergie sont les deux faces d'une même médaille, ces rayons gamma de haute énergie se transformeraient en particules massives et pourraient même se transformer en de nouveaux types de matière, comme la matière noire. Ils pourraient également être à l'origine de nouveaux types de faisceaux de particules, comme un faisceau de muons.

Même si c'est encore loin, les tests de cette semaine ont été une première étape importante pour voir ce qui est possible.