L'effort de construction du GRETA (Gamma-Ray Energy Tracking Array), un réseau sphérique de pointe de cristaux de germanium de haute pureté qui mesurera les signaux de rayons gamma pour révéler de nouveaux détails sur la structure et le fonctionnement interne des noyaux atomiques, a reçu les approbations clés nécessaires pour procéder à la construction complète.

GRETA, qui fournira également de nouvelles informations sur la nature de la matière et la façon dont les étoiles créent des éléments, devrait atteindre la première phase d'achèvement en 2023, et pour atteindre l'achèvement final en 2025. Il s'appuie sur l'instrument existant GRETINA (Gamma-Ray Energy Tracking In-beam Nuclear Array), achevé en 2011, qui comporte moins de cristaux détecteurs de rayons gamma. Les rayons gamma sont très énergétiques, les formes pénétrantes de lumière émises sous forme de noyaux atomiques instables se désintègrent en noyaux plus stables.

Le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie a joué un rôle de premier plan dans le GRETINA et le GRETA, et les physiciens et ingénieurs nucléaires de Berkeley Lab travaillent avec des équipes des laboratoires nationaux d'Argonne et d'Oak Ridge, et l'Université d'État du Michigan, dans le développement du GRETA.

Mercredi, 7 octobre 2020, Les responsables du DOE ont approuvé les étapes clés du projet GRETA, incluant l'étendue des travaux et leur calendrier, et les plans d'ingénierie de construction finaux qui guideront le projet jusqu'à son achèvement. Les étapes d'approbation formelles sont appelées Décision critique 2 et Décision critique 3 (CD-2 et CD-3).

« Les approbations ont été une réalisation majeure pour le projet et l'équipe. Elles marquent la réussite de la conception finale, et démontre que nous sommes prêts à construire le tableau, " a déclaré Paul Fallon, Directeur de projet du GRETA et scientifique senior de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab. Une prochaine étape clé consiste à fabriquer le complexe, sphère en aluminium d'un mètre de large qui abritera les détecteurs.

Une nouvelle facilité d'utilisation mettra GRETA au travail

GRETINE, et plus tard GRETA, sera installé à la Michigan State University's Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), lorsque cette installation commencera ses opérations en 2022. Le 29 septembre, Le FRIB a été officiellement désigné comme le plus récent membre des installations d'utilisateurs du DOE Office of Science. Il y a maintenant 28 de ces installations d'utilisateurs, qui sont accessibles aux scientifiques de tout le pays et du monde entier. Déjà, environ 1, 400 utilisateurs scientifiques sont alignés pour participer à des expériences de physique nucléaire à la FRIB une fois cette installation démarrée en 2022. Toujours en construction, FRIB est terminé à environ 94%.

GRETINA est équipé de 12 modules détecteurs et de 48 cristaux détecteurs, et GRETA ajoutera 18 modules de détection supplémentaires, pour un total de 30 modules et 120 cristaux. Environ 18 à 20 modules de détection devraient être installés dans le GRETA avant la fin de 2024, avec les derniers modules installés en 2025.

Lorsque les faisceaux d'isotopes rares produits au FRIB frappent une cible fixe, ils peuvent subir diverses réactions nucléaires. Ces réactions peuvent produire des noyaux encore plus exotiques qui émettent une séquence de rayons gamma, qui fournissent des informations sur leur structure nucléaire interne. Les isotopes sont des variétés d'éléments qui ont le même nombre de protons chargés positivement dans leur noyau mais ont plus ou moins de particules non chargées appelées neutrons par rapport à la forme standard d'un élément.

Le GRETA entourera entièrement ces cibles pour fournir des données incroyablement détaillées sur la direction et l'énergie en 3D des rayons gamma se propageant à travers ses détecteurs. L'électronique ultrarapide permettra aux détecteurs de capturer jusqu'à 50, 000 signaux par seconde dans chaque cristal, et un cluster de calcul dédié effectuera le traitement du signal en temps réel sur jusqu'à 480, 000 interactions de rayons gamma par seconde détectées dans la sphère GRETA.

Le FRIB sera équipé d'un puissant accélérateur capable de produire des faisceaux de particules à partir d'éléments aussi lourds que l'uranium, et aura la capacité de créer et d'étudier plus de 1, 000 nouveaux isotopes en faisant sauter des cibles avec des faisceaux de haute énergie.

GRETA est conçu pour être flexible afin de pouvoir accueillir une large gamme d'instruments pour les expériences, et également mobile afin qu'il puisse être utilisé sur différents sites expérimentaux de la FRIB et d'autres installations. « GRETA est optimisé pour le large éventail de la science au FRIB, " Fallon a dit, et sera également utilisé dans le système d'accélérateur linéaire en tandem d'Argonne (ATLAS) au Laboratoire national d'Argonne.

Le GRETA sera la clé de nombreuses expériences au FRIB - environ les deux tiers des objectifs de recherche prévus au FRIB utiliseront le détecteur GRETA, dit Fallon.

Les expériences étudieront les noyaux aux extrêmes, et avec une plus grande sensibilité

Parmi ses utilisations figurera l'étude des formes d'isotopes les plus riches en neutrons avant qu'elles ne deviennent instables. Cet extrême est appelé la "ligne goutte à goutte de neutrons, " car il représente la dernière forme stable d'un isotope avant qu'il ne puisse plus transporter de neutrons, et son noyau commence à « goutter » ou à émettre des neutrons.

Le GRETA sera également utilisé pour identifier les noyaux présentant des formes en poire. De telles expériences aideront les scientifiques à connaître les limites des propriétés les plus extrêmes des noyaux atomiques, fournir des données clés sur leur création, et identifier de nouveaux noyaux qui testent notre compréhension des interactions fondamentales de la nature et des forces qui régissent la structure de la matière.

Ensemble, Le FRIB et le GRETA auront une sensibilité 10 à 100 fois supérieure dans les expériences de science nucléaire qu'il n'est possible avec les accélérateurs et les détecteurs existants, Fallon a noté.

Le GRETA sera construit, assemblé, et testé au Berkeley Lab avant d'être expédié au FRIB. Berkeley Lab a dirigé le développement des détecteurs pour le projet et est chargé de superviser leur livraison, et dirige également la conception et la fabrication de l'électronique de traitement du signal du GRETA, l'informatique, et systèmes mécaniques; Argonne Lab développe l'électronique liée à ses systèmes de déclenchement et de chronométrage; La Michigan State University est chargée de caractériser les performances de ses détecteurs; et Oak Ridge Lab est responsable du traitement du signal en temps réel pour localiser les interactions des rayons gamma dans les cristaux GRETA.

Une fois le GRETA terminé, Berkeley Lab continuera à jouer un rôle dans son électronique, l'informatique, et mises à niveau, et dans la reconfiguration de l'instrument pour les expériences. Environ 25 scientifiques et ingénieurs de Berkeley Lab sont impliqués dans le projet GRETA, dit Fallon.