Rencontre avec ISOLDE : cibler de nouvelles découvertes

Le laboratoire des cibles à ISOLDE. (Image: Christoph Madsen/CERN)

Transmuer un élément en un autre, tel était le vieux rêve des alchimistes. Pour Richard Catherall, c'est tout simplement la réalité de son travail quotidien.

Richard Catherall a commencé sa carrière au CERN il y a trente-quatre ans, et il est aujourd'hui l'une des rares personnes à ISOLDE capables de construire les cibles, qui sont des éléments essentiels pour la production des isotopes exotiques utilisés dans les faisceaux de haute et de basse énergie requis pour les expériences.

Assemblage de la cible et test de ses éléments dans le laboratoire de cibles d'ISOLDE avant leur utilisation dans la zone cible de l'installation.Pour la deuxième partie de notre série, nous examinons l'épine dorsale de toute expérience ISOLDE, la production cible. (Vidéo: Christoph Madsen/CERN)

Le 50e anniversaire d'ISOLDE est l'occasion de nous intéresser à la fabrication de ces éléments essentiels de l'installation, qui est la plus ancienne du CERN.

Explorer des territoires exotiques

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Richard Catherall (tout à gauche) est arrivé au CERN en 1983. Il est aujourd'hui l'une des rares personnes à ISOLDE capables de construire les cibles permettant de transmuer un élément en un autre élément. (Image : CERN)

Les cibles sont faites sur mesure pour chaque expérience d'ISOLDE. Toutes construites à partir de matériaux différents, elles produisent les isotopes requis quand elles sont frappées par le faisceau de protons de haute énergie provenant du Booster du Synchrotron à protons (PSB). Il existe plus de cent combinaisons de matériaux et de sources d'ions, qui peuvent être utilisées de différentes manières pour construire les cibles produisant les divers isotopes.

C'est ici que les protons provenant des bouteilles d'hydrogène qui se trouvent au début de la chaîne d’accélérateurs du CERN produisent les 1 300 isotopes différents étudiés à ISOLDE.

« Mon travail est simplement de m'assurer que tout fonctionne, dit Richard Catherall avec modestie. C'est un vrai défi. En fonction de la proposition scientifique approuvée, nous devons concevoir et construire la cible correspondant au nucléide requis. La tâche se complique lorsque nous devons développer une cible et une source d'ions pour produire des faisceaux de nucléides qui n'ont jamais encore été produits. Si l'on se réfère à la charte des nucléides, la physique la plus intéressante se trouve souvent dans les nucléides les plus éloignés de la stabilité, à faible durée de vie, dont le taux de production est extrêmement faible, et qui sont parfois même inconnus. Le plus intéressant est de parvenir à produire des faisceaux purs de nucléides se trouvant à l'extrémité de la charte des nucléides. »

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Cible produisant du tantale 232 à ISOLDE, après son irradiation. Une fois la cible irradiée, elle est manipulée par des robots. (Image : Maximilien Brice/CERN)

L'enthousiasme de Richard Catherall pour son travail est contagieux. Je suis captivée par ses explications détaillées sur la nouvelle technique mise au point par l'équipe pour construire une cible produisant des isotopes d'un élément rare, l'astate, qui suppose d'inverser la polarité de toute la machine. La quantité de cet élément instable disponible sur terre à un moment donné est estimée à moins de 30 grammes, et il est extrêmement difficile de le produire en laboratoire car il se désintègre très rapidement. L'obtenir relèvera donc de l'exploit.

« Nous construisons environ trente cibles par année, sur commande. Chaque cible doit produire suffisamment d'isotopes pour que l'expérience puisse être réalisée, mais il est difficile d'estimer le nombre d'isotopes qui seront émis avant d'envoyer des protons sur la cible. Nous réalisons un contrôle de qualité préalable avec des faisceaux stables, mais la quantité de nucléides radioactifs émis ne peut être vérifiée que juste avant le début de l'expérience », explique Richard.

Et pourtant, ses collègues et lui ont de quoi être fiers : leurs cibles, associées à la source d'ions, produisent des faisceaux d'isotopes d'une variété et d'une pureté qu'on ne trouve dans aucun autre laboratoire de ce type dans le monde.

De la construction automobile à la physique nucléaire

Les cibles sont manipulées par deux robots (qui font partie des nombreux robots utilisés au CERN pour la recherche en physique). En effet, une fois en place et frappées par un faisceau de protons, les cibles deviennent radioactives. Pour des raisons de sécurité, elles ne peuvent donc être manipulées qu'à l'aide de bras robotisés adaptés.

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Le bras robotisé de la zone cible d'ISOLDE permet une manipulation sans danger des cibles radioactives. (Image : Maximilien Brice/CERN)

Ces robots vous rappellent peut-être quelque chose : vous les avez sans doute vus dans des publicités montrant des chaînes de montage d'automobiles. Conçus initialement pour ce secteur d'industrie, ils ont été adaptés et rendus résistants aux rayonnements ; ainsi, les cibles d'ISOLDE peuvent être déplacées sans intervention humaine.

Des faisceaux plus intenses, des isotopes plus rares

Les cibles, et l'équipe qui les construit, sont au cœur de ce qui fait d'ISOLDE une installation exceptionnelle. L'équipe sera bientôt amenée à fabriquer des cibles plus fiables, pour aboutir à des isotopes encore plus difficiles à produire, car, avec la mise en route du Linac 4, les faisceaux issus du PSB auront une intensité et une énergie accrues.

Pour Richard Catherall et son équipe, ce nouveau défi ne fait que rendre leur travail quotidien plus intéressant. À l'heure où l'on célèbre les 50 ans de physique accomplis dans cette installation, un avenir brillant s'annonce pour ISOLDE. « Il y a encore beaucoup de nouveaux isotopes à découvrir », conclut-il.

Lisez les autres articles dans le serie Recontre avec ISOLDE, ici.