The PUMA offline ion source beamline

Au cœur même d'un atome, les bords extérieurs sont souvent les endroits les plus mystérieux. Alors que le centre est étroitement compacté par des protons et des neutrons, la surface même peut s'étendre en un nuage mince et diffus. Dans certains atomes lourds, ce nuage est composé principalement de neutrons, formant une « peau » qui modifie le comportement de l'ensemble du noyau. Dans d'autres, près des limites de ce qui peut exister, quelques particules peuvent flotter si loin qu'elles forment un « halo ». Comprendre ces structures délicates est crucial car elles détiennent des indices sur les forces qui lient la matière, des forces qui régissent également le comportement des étoiles à neutrons, les objets les plus denses de l'univers. Pour étudier ces couches externes, les scientifiques ont besoin d'un moyen de sonder le bord d'un atome sans le détruire. L'expérience PUMA, située au CERN en Suisse, vise précisément cela en projetant des antiprotons de faible énergie — des particules d'antimatière — contre les surfaces de noyaux atomiques. Lorsqu'un antiproton rencontre un proton ou un neutron à la lisière du noyau, ils s'annihilent, et en étudiant les débris, les scientifiques peuvent cartographier la densité de la surface nucléaire.

Cependant, il existe un obstacle logistique important. L'installation qui produit les antiprotons de faible énergie est éloignée de l'installation qui crée les atomes radioactifs nécessaires à l'expérience. Pour combler cet écart, l'équipe de PUMA doit transporter les antiprotons vers les atomes radioactifs. Avant de tenter ce voyage complexe avec des matériaux radioactifs instables, ils doivent d'abord prouver que leur technique fonctionne avec des atomes stables et sûrs. Cela nécessite une machine spécialisée capable de prendre un gaz brut, de le transformer en un faisceau d'ions, de le purifier pour s'assurer qu'un seul type d'atome spécifique est présent, puis de les empaqueter en groupes serrés et froids. Si cette machine ne parvient pas à délivrer un faisceau pur et intense, les délicats antiprotons seront perdus dans le bruit de fond avant même de pouvoir rencontrer leur cible.

Les chercheurs ont maintenant construit et testé cette machine essentielle, appelée la source d'ions hors ligne PUMA, ou POLIS. Il s'agit d'un long tunnel scellé sous vide qui exécute une série de tâches précises. D'abord, elle prend un gaz, tel que le krypton, et utilise un flux d'électrons pour arracher les électrons aux atomes, les transformant ainsi en ions chargés positivement. Cela crée un flux continu de particules. Pour rendre ce flux utile, la machine le découpe en petits paquets, comme si l'on tranchait une longue corde en courts segments. Ces paquets entrent ensuite dans un dispositif de tri massif de haute précision connu sous le nom de spectromètre de masse à temps de vol à réflexions multiples. À l'intérieur de ce dispositif, les ions rebondissent des milliers de fois entre des miroirs électriques. Comme les ions plus lourds se déplacent légèrement plus lentement que les plus légers, ces rebonds permettent à la machine de les séparer avec une précision extrême, filtrant les atomes ou molécules indésirables jusqu'à ce qu'il ne reste que l'isotope spécifique souhaité par les scientifiques.

Une fois que le faisceau est pur, les ions se déplacent encore trop vite et sont trop dispersés pour être capturés par le piège de stockage final. La machine les ralentit et les injecte dans un refroidisseur-regroupeur quadripolaire à radiofréquence. Ce dispositif agit comme un entonnoir, utilisant un gaz doux pour ralentir les ions et les comprimer en un groupe serré et froid. L'équipe a testé ce système en utilisant des isotopes stables du krypton, qui sont des gaz lourds et inertes. Ils ont découvert qu'en répétant le processus de découpage, de tri et d'empilement, ils pouvaient accumuler plus de dix mille ions dans un seul paquet. Cette intensité est critique ; si le faisceau est trop faible, le signal des collisions d'antiprotons serait noyé par les collisions aléatoires avec les particules de gaz résiduelles dans la chambre à vide.

Un défi majeur de ce processus est de maintenir un vide extrêmement élevé. Les antiprotons sont si sensibles que même une infime quantité de gaz peut les faire disparaître. La machine doit maintenir la pression au point de connexion au faisceau d'antiprotons à mieux de cinq fois dix à la puissance moins dixième de millibar. Pour y parvenir, l'équipe a dû résoudre un problème complexe : le processus de refroidissement nécessite un gaz tampon, mais ce gaz ne doit pas fuir dans la zone de vide finale. Ils ont testé différents gaz, notamment l'hélium, l'argon et l'azote. Ils ont découvert que l'azote fonctionnait le mieux, permettant d'atteindre les niveaux de vide nécessaires tout en refroidissant efficacement les ions. Ils ont également constaté que la qualité de l'approvisionnement en gaz importait énormément ; l'utilisation d'un système entièrement composé de composants métalliques, plutôt que de tubulures en plastique, a empêché l'accumulation de contaminants qui pourraient ruiner l'intensité du faisceau.

Les résultats finaux montrent que la machine est prête pour sa véritable mission. L'équipe a réussi à créer des paquets purs de divers isotopes stables du krypton, y compris les plus rares, chaque paquet contenant bien plus de dix mille ions. Ces paquets étaient si étroitement compactés qu'ils mesuraient moins de trois cents nanosecondes de longueur, ce qui les rend parfaits pour l'injection dans le piège de stockage final. Le système a maintenu la pression de vide requise même pendant le flux du gaz de refroidissement, prouvant que la conception isole avec succès le faisceau d'antiprotons sensible du reste de la machine. Avec ces tests terminés, l'ensemble de l'appareil est maintenant en cours de préparation pour son expédition au CERN. Une fois installé, il permettra aux scientifiques de réaliser enfin les expériences d'antiprotons sur des noyaux stables, ouvrant la voie à l'objectif ultime : étudier les bords mystérieux et diffus des atomes radioactifs qui n'existent que pendant un instant fugace.