Accélérateur tant attendu prêt à explorer les origines des éléments

L’un des souhaits les plus chers des physiciens nucléaires est sur le point de se réaliser. Après une attente de plusieurs décennies, un accélérateur de 942 millions de dollars américains dans le Michigan est officiellement inauguré le 2 mai. Ses expériences traceront des régions inexplorées du paysage des noyaux atomiques exotiques et feront la lumière sur la façon dont les étoiles et les explosions de supernova créent la plupart des éléments de l’Univers.

“Ce projet a été la réalisation d’un rêve de toute la communauté de la physique nucléaire”, déclare Ani Aprahamian, physicienne nucléaire expérimentale à l’Université de Notre Dame dans l’Indiana. Kate Jones, qui étudie la physique nucléaire à l’Université du Tennessee à Knoxville, est d’accord. “C’est l’installation tant attendue pour nous”, dit-elle.

La Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de la Michigan State University (MSU) à East Lansing disposait d’un budget de 730 millions de dollars, financé en grande partie par le département américain de l’Énergie, avec une contribution de 94,5 millions de dollars de l’État du Michigan. MSU a contribué 212 millions de dollars supplémentaires de diverses manières, y compris le terrain. Il remplace un ancien accélérateur de la National Science Foundation, appelé National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL), sur le même site. La construction de FRIB a commencé en 2014 et s’est achevée à la fin de l’année dernière, “avec cinq mois d’avance et dans les limites du budget”, explique le physicien nucléaire Bradley Sherrill, directeur scientifique de FRIB.

Pendant des décennies, les physiciens nucléaires ont fait pression pour une installation de sa puissance – une installation qui pourrait produire des ordres de grandeur d’isotopes rares plus rapidement que ce qui est possible avec le NSCL et des accélérateurs similaires dans le monde entier. Les premières propositions pour une telle machine sont venues à la fin des années 1980 et un consensus a été atteint dans les années 1990. “La communauté était catégorique sur le fait que nous avions besoin d’un outil comme celui-ci”, déclare Witold Nazarewicz, physicien nucléaire théorique et scientifique en chef du FRIB.

Fonctionnement interne

Toutes les expériences FRIB débuteront dans le sous-sol de l’installation. Les atomes d’un élément spécifique, généralement l’uranium, seront ionisés et envoyés dans un accélérateur de 450 mètres de long qui se plie comme un trombone pour s’adapter à l’intérieur du hall de 150 mètres de long. À l’extrémité du tuyau, le faisceau d’ions heurtera une roue en graphite qui tourne en continu pour éviter de surchauffer un endroit particulier. La plupart des noyaux traverseront le graphite, mais une fraction entrera en collision avec ses noyaux de carbone. Cela provoque la décomposition des noyaux d’uranium en plus petites combinaisons de protons et de neutrons, chacun étant un noyau d’un élément et d’un isotope différent.

Ce faisceau de noyaux assortis sera ensuite dirigé vers un “séparateur de fragments” au niveau du sol. Le séparateur est constitué d’une série d’aimants qui dévient chaque noyau vers la droite, chacun selon un angle qui dépend de sa masse et de sa charge. En affinant ce processus, les opérateurs de FRIB pourront produire un faisceau constitué entièrement d’un isotope pour chaque expérience particulière.

L’isotope souhaité peut ensuite être acheminé à travers un labyrinthe de tubes de faisceau vers l’un des nombreux halls d’expérimentation. Dans le cas des isotopes les plus rares, les taux de production pourraient être aussi bas qu’un noyau par semaine, mais le laboratoire sera en mesure de livrer et d’étudier presque chacun d’entre eux, explique Sherrill.

Une caractéristique unique de FRIB est qu’il dispose d’un deuxième accélérateur qui peut prendre les isotopes rares et les écraser contre une cible fixe, pour imiter les collisions à haute énergie qui se produisent à l’intérieur des étoiles ou des supernovae.

FRIB commencera à fonctionner avec une intensité de faisceau relativement faible, mais son accélérateur augmentera progressivement pour produire des ions à un taux supérieur à celui de NSCL. Chaque ion uranium se déplacera également plus rapidement vers la cible en graphite, transportant une énergie de 200 méga-électronvolts, par rapport aux 140 MeV transportés par les ions dans le NSCL. L’énergie plus élevée de FRIB se situe dans la plage idéale pour produire un grand nombre d’isotopes différents, dit Sherrill, y compris des centaines qui n’ont jamais été synthétisés auparavant.

La pointe du savoir

Les physiciens sont enthousiasmés par la mise en ligne de FRIB, car leur connaissance du paysage des isotopes est encore provisoire. Les forces qui maintiennent les noyaux atomiques ensemble sont, en principe, le résultat de la force forte – l’une des quatre forces fondamentales de la nature, et la même force qui lie trois quarks ensemble pour former un neutron ou un proton. Mais les noyaux sont des objets complexes avec de nombreuses pièces mobiles, et il est impossible de prédire exactement leurs structures et leurs propriétés à partir des premiers principes, explique Nazarewicz.

Les chercheurs ont donc concocté une variété de modèles simplifiés qui prédisent certaines caractéristiques d’une certaine gamme de noyaux, mais pourraient échouer ou ne donner que des estimations approximatives en dehors de cette gamme. Cela s’applique même aux questions de base, telles que la vitesse à laquelle un isotope se désintègre – sa demi-vie – ou s’il peut se former du tout, dit Nazarewicz. “Si vous me demandez combien d’isotopes de l’étain existent, ou du plomb, la réponse sera donnée avec une grande barre d’erreur”, dit-il. FRIB sera capable de synthétiser des centaines d’isotopes jusqu’alors inobservés (voir “Noyaux inexplorés”), et en mesurant leurs propriétés, il commencera à tester de nombreux modèles nucléaires.

Jones et d’autres seront particulièrement désireux d’étudier les isotopes qui ont des nombres «magiques» de protons et de neutrons – tels que 2, 8, 20, 28 ou 50 – qui rendent la structure du noyau particulièrement stable car ils forment des niveaux d’énergie complets (connus sous forme de coquillages). Les isotopes magiques sont particulièrement importants car ils fournissent les tests les plus propres pour les modèles théoriques. Pendant de nombreuses années, Jones et son groupe ont étudié les isotopes de l’étain avec de moins en moins de neutrons, se rapprochant de l’étain-100, qui a des nombres magiques de neutrons et de protons.

Les incertitudes théoriques signifient également que les chercheurs n’ont pas encore d’explication détaillée sur la formation de tous les éléments du tableau périodique. Le Big Bang n’a produit essentiellement que de l’hydrogène et de l’hélium ; les autres éléments chimiques du tableau jusqu’au fer et au nickel se sont formés principalement par fusion nucléaire à l’intérieur des étoiles. Mais les éléments plus lourds ne peuvent pas se former par fusion. Ils ont été forgés par d’autres moyens – généralement par désintégration β radioactive. Cela se produit lorsqu’un noyau gagne tellement de neutrons qu’il devient instable et qu’un ou plusieurs de ses neutrons se transforment en proton, créant un élément avec un numéro atomique plus élevé.

Cela peut se produire lorsque des noyaux sont bombardés de neutrons lors d’événements brefs mais cataclysmiques, comme une supernova ou la fusion de deux étoiles à neutrons. L’événement de ce type le plus étudié, qui a été observé en 2017, était cohérent avec les modèles dans lesquels les orbes en collision produisent des éléments plus lourds que le fer. Mais les astrophysiciens n’ont pas pu observer quels éléments spécifiques ont été fabriqués, ni en quelles quantités, explique Hendrik Schatz, astrophysicien nucléaire à MSU. L’une des principales forces de FRIB sera d’explorer les isotopes riches en neutrons qui sont fabriqués lors de ces événements, dit-il.

L’installation aidera à répondre à la question fondamentale “combien de neutrons peut-on ajouter à un noyau, et comment cela modifie-t-il les interactions à l’intérieur du noyau?” déclare Anu Kankainen, physicienne expérimentale à l’Université de Jyväskylä en Finlande.

FRIB sera complémentaire d’autres accélérateurs de pointe qui étudient les isotopes nucléaires, explique Klaus Blaum, physicien à l’Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg, en Allemagne. Les installations au Japon et en Russie sont optimisées pour produire les éléments les plus lourds possibles, ceux en fin de tableau périodique.

L’installation de 3,1 milliards d’euros pour la recherche sur les antiprotons et les ions (FAIR), un brise-atomes en cours de construction à Darmstadt, en Allemagne, devrait être achevée en 2027 (bien que le gel de la participation russe suite à l’invasion de l’Ukraine pourrait entraîner des retards) . FAIR produira aussi bien de l’antimatière que de la matière et pourra stocker des noyaux plus longtemps. “Vous ne pouvez pas tout faire avec une seule machine”, déclare Blaum, qui a siégé à des comités consultatifs pour FRIB et FAIR.