L’installation ISOLDE (Isotope Separator On-Line) dirige des faisceaux de protons en provenance du Booster du Synchrotron à protons (PBS) sur des cibles spéciales très épaisses, ce qui permet de produire des faisceaux de basse énergie de nucléides radioactifs, dont l’instabilité est due soit à un excédent, soit à un déficit de neutrons. Ces faisceaux peuvent être réaccélérés à l’aide de l’accélérateur linéaire HIE-ISOLDE à des énergies pouvant aller jusqu’à 10 MeV par nucléon, ouvrant la voie à un large éventail d’études. Les faisceaux de HIE-ISOLDE sont livrés à trois stations d’expérimentation : Miniball, un réseau de détecteurs de rayons gamma au germanium de haute pureté, ISS (ISOLDE Solenoidal Spectrometer), qui donne un nouvel usage à un ancien aimant d’imagerie par résonance magnétique, et SEC (Scattering Experiments Chamber), une grande chambre à vide utilisée pour une multitude d’expériences de physique sur la diffusion. Depuis sa toute première expérience en 2015, HIE-ISOLDE repousse les limites de la physique nucléaire. En l’honneur de son 10e anniversaire, revenons sur les dix évènements qui ont marqué sa première décennie d’existence.

Première expérience de HIE-ISOLDE

Menée en octobre 2015, la première expérience de HIE-ISOLDE consistait en l’accélération d’un faisceau radioactif de noyaux de zinc riches en neutrons à une énergie de 4 MeV par nucléon, qui a ensuite été livré à la station d’expérimentation Miniball. L’énergie du faisceau, plus élevée que celle des faisceaux produits par REX-ISOLDE, prédécesseur de HIE-ISOLDE, a permis à l’expérience d’étudier les états à haute énergie de ces noyaux avec un niveau de détail inédit et de comparer les résultats avec des modèles théoriques avancés.

Démontrer la nature doublement magique de l’étain

En accélérant un faisceau de noyaux de ¹³²Sn à l’aide d’HIE-ISOLDE à une énergie de 5,45 MeV par nucléon, et en le projetant sur une cible en plomb à l’intérieur de Miniball, l‘expérience a obtenu la première preuve directe de la nature doublement magique du noyau d’étain : les protons et les neutrons forment des couches complètes d’énergie, rendant le noyau particulièrement stable. Ce résultat a été décrit dans le premier article publié à partir des données collectées par HIE-ISOLDE, en 2018.

Les capacités de métamorphose du noyau de radon

Les noyaux en forme de poire, tels que certains noyaux de radon ou de radium, sont essentiels pour mettre à l’épreuve des théories nucléaires et rechercher une physique au-delà du Modèle standard. En 2019, des chercheurs ont présenté une étude réalisée au moyen de faisceaux de ²²⁴Rn et de ²²⁶Rn produits par HIE-ISOLDE à Miniball, dans laquelle il a été révélé que, contrairement aux noyaux de ²²⁴Ra étudiés avec REX-ISOLDE, ces noyaux de radon ne conservent pas une forme de poire statique dans leurs états fondamentaux. Au lieu de cela, ils oscillent entre la forme d’une poire et son image miroir, offrant moins de sensibilité dans la recherche d’une nouvelle physique que le ²²⁴Ra.

L’aimant ISS : de l’imagerie par résonance magnétique à la physique nucléaire

En 2016, un ancien aimant d’imagerie médicale a traversé les océans entre l’Australie et le CERN pour renaître au cœur du détecteur ISS (ISOLDE Solenoidal Spectrometer). L’ISS a reçu ses premiers faisceaux en 2018 puis a été entièrement mis en service en 2021. Depuis, le détecteur a étudié plus de 20 espèces nucléaires différentes, allant de noyaux lourds comme le ²¹²Rn à des noyaux légers tels que le ¹¹Be, illustrant la grande diversité de noyaux disponibles à ISOLDE.

Tester le processus r avec des noyaux de mercure

Dans les environnements cosmiques riches en neutrons, tels que les supernovas, les noyaux peuvent rapidement capturer des neutrons, pour former des éléments plus lourds par le biais du « processus r ». Les noyaux comportant moins de 82 protons et plus de 126 neutrons sont essentiels à la compréhension de ce processus ; or ils font partie des noyaux les moins étudiés. La première expérience de l’ISS s’est aventurée dans ce territoire quasi-inconnu en dirigeant un faisceau de noyaux de ²⁰⁶Hg produit par HIE-ISOLDE, à une énergie de 7,38 MeV par nucléon, sur une cible de deutérium, mettant en lumière des évènements dans lesquels un noyau de 206Hg capture un neutron et se transforme en ²⁰⁷Hg. Le résultat, publié en 2020, marque la première exploration de la structure neutronique du ²⁰⁷Hg et a permis de tester des modèles du processus r.

Révéler les secrets de l’étain doublement magique

L’étain se démarque par ses 50 protons (un nombre magique) et ses deux noyaux doublement magiques : le 100Sn, comprenant 50 protons et 50 neutrons, et le ¹³²Sn, comprenant 50 protons et 82 neutrons. En 2024, des chercheurs ont utilisé un faisceau de ¹³²Sn produit par HIE-ISOLDE auprès de l’ISS pour sonder, pour la première fois, les états d’énergies les plus élevées de ce noyau, grâce à la haute énergie du faisceau. Les résultats ont mis au jour des données longtemps recherchées qui permettent de calculer les propriétés d’un grand nombre de noyaux de masse moyenne à l’aide de modèles nucléaires.

Étudier les mécanismes de la fission

En utilisant un faisceau de ²⁰⁹Fr accéléré à HIE-ISOLDE, une équipe a étudié la facilité avec laquelle les noyaux de ²¹⁰Fr et de ²¹⁰Ra, à vie brève, créés lors de réactions de transfert de nucléons, subissent une fission. Un dispositif sensible basé sur les détecteurs Timepix3 a permis de suivre de manière précise la trajectoire de neutrons rapides, révélant la manière dont les noyaux se scindent à différentes énergies. La première mesure directe de la barrière de fission du ²¹⁰Fr, quantité minimale d’énergie qu’il doit surmonter pour se scinder, a révélé qu’elle est inférieure de 15 à 30 % par rapport aux prédictions, ce qui donne un aperçu du mode de fission des noyaux radioactifs pauvres en neutrons.

Résoudre l’énigme du lithium cosmologique

Le « problème du lithium cosmologique », à savoir l’écart entre la quantité de ⁷Li observée et celle prédite par les modèles de nucléosynthèse du Big Bang, déroute les scientifiques depuis des décennies. Ces noyaux de ⁷Li primordial proviennent principalement de la désintégration des noyaux de ⁷Be. À l’aide d’un faisceau de ⁷Be produit par HIE-ISOLDE à la station SEC, les chercheurs ont étudié une voie potentielle de désintégration du ⁷Be, permettant d’obtenir de nouvelles données contribuant à résoudre ce mystère.

Explorer les halos nucléaires

Certains noyaux possèdent des « halos », consistant en des protons ou neutrons faiblement liés, gravitant loin de leur cœur. En projetant des faisceaux de deux noyaux à halo, le ⁸B et le ¹⁵C, sur des cibles lourdes situées à la station SEC, les scientifiques ont apporté un nouvel éclairage sur la manière dont ces halos influencent les interactions des noyaux de façon inattendue, révélant ainsi les effets de la structure étendue de ces noyaux particuliers.

Étude de désintégrations rares

Même les noyaux riches en neutrons peuvent se désintégrer par le biais de processus rares conduisant à l’émission de protons. C’est le cas du noyau de ¹¹Be, possédant un halo riche en neutrons, qui peut émettre un proton après avoir subi un type de désintégration radioactive nommé « désintégration bêta ». Lors d’une expérience menée à HIE-ISOLDE, des centaines d’ions de ¹¹Be ont été introduits dans une chambre à projection temporelle optique – un détecteur capable de prendre des « photographies » d’évènements de désintégration individuels. En mesurant les désintégrations bêta et l’émission de particules chargées qui s’ensuit, les scientifiques ont établi une limite stricte sur la fréquence à laquelle les noyaux de ¹¹Be émettent des protons après une désintégration bêta, contredisant certains résultats antérieurs.