Première accélération d’atomes partiellement ionisés au LHC

Au cours d’une exploitation spéciale d’une journée, les équipes du LHC ont injecté dans la machine des noyaux de plomb dotés d’un unique électron. (Image: Maximilien Brice, Julien Ordan/CERN)

Si le Grand collisionneur de hadrons (LHC) se nourrit essentiellement de protons, il ne fait pas la fine bouche lorsqu’on lui présente, de temps à autre, des mets plus exotiques. Le mercredi 25 juillet, les opérateurs ont injecté pour la toute première fois dans le collisionneur non pas des noyaux atomiques, mais des ions plomb dotés d’un seul électron. Ils ont ainsi réalisé l’une des premières expériences de démonstration de principe de l’Usine à gamma, une nouvelle initiative s’inscrivant dans le programme du CERN consacré à la physique au-delà des collisionneurs.

« Nous explorons de nouvelles pistes en vue d’enrichir le programme de recherche et les infrastructures du CERN, affirme Michaela Schaumann, ingénieure auprès du LHC. La première étape consiste à déterminer les différentes possibilités. »

En temps normal, le LHC produit un flux régulier de collisions proton-proton, puis, pendant environ les quatre semaines qui précèdent la période d’arrêt hivernal, des collisions de noyaux atomiques. Cependant, quelques jours par année, au cours des périodes de développement machine, les physiciens des accélérateurs se lancent dans des expériences totalement inédites. Ainsi, ils ont récemment accéléré des noyaux de xénon dans le LHC et injecté dans l’accélérateur SPS d’autres types d’ions plomb partiellement « épluchés ».

Pour le physicien Witold Krasny, coordinateur d’un groupe d’une cinquantaine de scientifiques chargé de mettre au point de nouvelles façons de produire des rayons gamma de haute énergie, cette exploitation spéciale du LHC a été la dernière étape d’une série de tests.

L’accélération d’ions plomb comportant un seul électron est une tâche délicate, car ce type d’ion est fragile. Comme le souligne Michaela Schaumann : « On peut facilement arracher l’électron par accident. Quand cela arrive, le noyau s’écrase contre la paroi du tube de faisceau, parce que sa charge n’est plus synchronisée avec le champ magnétique du LHC. »

Pour commencer, les opérateurs ont injecté dans le LHC vingt-quatre paquets d’atomes partiellement ionisés et sont parvenus à maintenir un faisceau stable pendant près d’une heure. Ils ont ensuite fait fonctionner l’accélérateur à pleine puissance et le faisceau s’est maintenu pendant environ deux minutes avant d’être éjecté dans l’absorbeur de faisceau. « Le LHC arrête automatiquement le faisceau si les particules qui s’égarent sont trop nombreuses, explique Michaela Schaumann. Notre première priorité est de protéger le LHC et ses aimants. »

Après avoir lancé le cycle de redémarrage des aimants, l’équipe a renouvelé l’expérience, mais cette fois avec seulement six paquets d’ions. Elle a fait circuler le faisceau pendant deux heures avant de l’éjecter volontairement.

« D’après nos prédictions, la durée de vie de ce type de faisceau à l’intérieur du LHC est d’au moins 15 heures, déclare M. Krasny. À notre grande surprise, nous avons constaté qu’elle peut atteindre environ 40 heures. La question qui se pose désormais est de savoir si nous pouvons conserver cette même durée de vie pour des faisceaux de plus haute intensité en optimisant le paramétrage des collimateurs. Lors de cette exploitation spéciale, ces derniers étaient encore configurés pour les protons. »

L’objectif de ces tests est de déterminer si le LHC pourrait un jour fonctionner comme une usine de rayons gamma. Dans cette configuration, les noyaux partiellement ionisés sont bombardés par un rayon laser, ce qui provoque le passage de leur électron à un niveau d’énergie plus haut. En revenant à leur niveau initial, les électrons émettent une particule de lumière, appelée photon. Dans des circonstances normales, l’énergie de cette particule n’est pas très élevée. Cependant, en l’occurrence, la vitesse à laquelle se déplacent les ions est déjà proche de celle de la lumière, ce qui renforce l’énergie des photons et écrase leur longueur d’onde par effet Doppler.

Les rayons gamma ainsi produits auraient suffisamment d’énergie pour créer des particules de matière « normale », tels des quarks, des électrons, et même des muons. Étant donné que la matière et l’énergie sont deux aspects d’un même phénomène, ces rayons gamma à haute énergie devraient se transformer en particules massives, voire en de nouvelles sortes de matière, de la matière noire par exemple. Le dispositif pourrait également être la source de nouveaux types de faisceaux de particules, comme des faisceaux de muons.

Bien que ce scénario soit encore loin de se concrétiser, les tests de cette semaine constituent une première étape dans l’exploration des différentes options.