L'« initiative Gamma Factory », une équipe internationale de scientifiques, explore actuellement un nouvel outil de recherche :ils proposent de développer une source de rayons gamma de haute intensité en utilisant les installations d'accélérateur existantes au CERN. Pour faire ça, des faisceaux d'ions spécialisés circuleront dans les anneaux de stockage du SPS et du LHC, qui seront ensuite excités à l'aide de faisceaux laser pour qu'ils émettent des photons. Dans la configuration choisie, les énergies des photons se situeront dans la plage de rayonnement gamma du spectre électromagnétique. Ceci est particulièrement intéressant dans le cadre de l'analyse spectroscopique des noyaux atomiques. Par ailleurs, les rayons gamma seront conçus pour avoir une intensité très élevée, plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux des systèmes actuellement en exploitation. Dans le dernier numéro de la revue Annalen der Physik , les chercheurs affirment qu'une « usine gamma » construite de cette manière permettra non seulement des percées en spectroscopie, mais aussi de nouvelles façons de tester les symétries fondamentales de la nature.

Au cœur de la proposition de Gamma Factory se trouvent des faisceaux d'ions spéciaux constitués d'éléments lourds tels que le plomb qui ont été dépouillés de presque tous les électrons de l'enveloppe externe. Un atome de plomb a normalement 82 protons dans le noyau et 82 électrons dans sa coquille. S'il ne reste qu'un ou deux électrons, quels sont les résultats que l'on appelle les « ions partiellement dépouillés » - les PSI en abrégé. Dans le réglage d'usine Gamma potentiel, ils circuleront dans un anneau de stockage à haute énergie, comme le Super Synchrotron à Protons (SPS) ou le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN.

Les PSI offrent des opportunités uniques de recherche sur diverses questions fondamentales de la science moderne. En physique atomique, ils servent en quelque sorte de mini-laboratoire pour étudier comment les systèmes avec peu d'électrons se comportent lorsqu'ils sont exposés à de forts champs électromagnétiques - qui, dans le cas des PSI, sont produits par les noyaux atomiques eux-mêmes.

Le concept principal sous-jacent de la Gamma Factory est de faire entrer un faisceau laser en collision frontale avec un faisceau PSI accéléré. Dans le 'Laboratoire du PSI', les photons incidents peuvent générer des états excités en transportant des électrons vers des orbites plus élevées, ce qui constitue un système de test idéal qui facilitera des investigations détaillées en utilisant la spectroscopie atomique (spectroscopie de faisceau primaire). À son tour, les PSI excités par le faisceau laser émettent eux-mêmes des photons, qui peut ensuite être utilisé dans de nombreuses autres expériences "en dehors" du laboratoire PSI (spectroscopie de faisceau secondaire). Le faisceau de rayons gamma résultant sera caractérisé par des énergies élevées allant jusqu'à 400 mégaélectrons-volts, ce qui correspond à une longueur d'onde de 3 femtomètres. A titre de comparaison, l'énergie photonique de la lumière visible est inférieure de huit ordres de grandeur, avec une longueur d'onde proportionnellement plus grande.

« La Gamma Factory que nous proposons offre deux perspectives immensément passionnantes :d'une part, ce sera une source lumineuse très intense qui produira des rayons gamma de haute énergie dans une bande de fréquences bien précise; en même temps, il agira comme un piège à ions géant où nous pourrons utiliser la spectroscopie pour obtenir une image très précise des PSI circulant dans l'anneau de stockage, " explique le professeur Dmitry Budker du PRISMA+ Cluster of Excellence of University Mayence et du Helmholtz Institute Mayence et l'un des auteurs de la récente publication. " Dans notre article, nous décrivons les nombreuses possibilités offertes par les deux approches. D'autre part, il est important de relever les défis actuels et futurs associés à la création d'une usine gamma comme celle-ci."

Des exemples d'applications physiques passionnantes de la spectroscopie à faisceau primaire incluent la mesure des effets de la violation de la parité atomique dans le PSI - le résultat d'interactions faibles entre les particules subatomiques - ainsi que la détection de la distribution des neutrons dans les noyaux du PSI. Les informations ainsi obtenues compléteraient certaines des activités de recherche les plus importantes menées à Mayence. Le secondaire, des faisceaux de rayons gamma à haute énergie avec une polarisation contrôlée avec précision peuvent être utilisés en conjonction avec des cibles polarisées « fixes », par exemple, afin d'étudier la structure des noyaux atomiques ainsi que les réactions nucléaires pertinentes pour l'astrophysique. Les rayons gamma secondaires peuvent également être utilisés pour générer des faisceaux tertiaires intenses, par exemple, ceux des neutrons, muons ou neutrinos.

Divers défis technologiques devront être relevés pour assurer le fonctionnement optimal de l'Usine Gamma. "Donc, par exemple, nous devons apprendre à effectuer un refroidissement laser des PSI ultrarelativistes afin de réduire leur dispersion énergétique et obtenir un faisceau bien défini, " précise Dmitry Budker. " Alors que le refroidissement laser des ions à des énergies plus basses a déjà été étudié, chez GSI à Darmstadt par exemple, il n'a pas encore été exécuté à des énergies aussi élevées que celles qui seront associées à l'Usine Gamma."

L'Usine Gamma du CERN n'est plus qu'une chimère, car en juillet 2018, des progrès majeurs ont été accomplis du concept à la réalité. Le groupe Gamma Factory et les experts des accélérateurs du CERN ont réussi à faire circuler des faisceaux d'ions plomb de type hydrogène et hélium dans le SPS pendant plusieurs minutes. Le faisceau de type hydrogène a ensuite été injecté dans le LHC, où il a ensuite circulé pendant plusieurs heures. « La prochaine étape cruciale consiste à exécuter l'expérience de preuve de principe dédiée au SPS du CERN qui, espérons-le, validera l'ensemble du concept d'usine Gamma. " conclut Dmitry Budker, décrivant la prochaine étape passionnante. La Gamma Factory est une proposition ambitieuse, actuellement exploré dans le cadre du programme du CERN « La physique au-delà des collisionneurs ».