Le 3 novembre 2016, un nouvel accélérateur d’ions lourds a été inauguré au Ganil, à Caen. Première étape du projet Spiral2, ce nouvel instrument doit permettre de percer les secrets de l’atome et de créer de nouveaux éléments.

Les alchimistes poursuivaient un but longtemps considéré comme chimérique : transmuter un métal commun en un autre métal, de préférence noble. Cette lubie d’alchimiste est devenue un accomplissement scientifique au sein d’installations comme le Grand Accélérateur national d’ions lourds (Ganil) à Caen. Là, depuis près de 35 ans, des physiciens cassent des ions accélérés pour obtenir de nouveaux atomes et percer les secrets de la matière à l’échelle atomique. Après l’inauguration des installations du projet Spiral2 (Système de production d’ions radioactifs accélérés en ligne de seconde génération) au sein du Ganil, les scientifiques vont pouvoir réaliser ces transmutations à une échelle inédite, ouvrant la voie à la découverte d’éléments et de structures atomiques encore inconnus.

Un des plus grands accélérateurs d’ions au monde

Le Ganil a été créé en 1976 conjointement par le Commissariat à l’énergie atomique et le CNRS via l’IN2P3 . Durant les années qui suivront, il ne va cesser de se développer, d’établir des collaborations internationales et d’acquérir de nouveaux équipements. Ses évolutions, dont Spiral2 constitue une étape majeure, lui ont permis de devenir l’un des quatre plus grands laboratoires au monde pour la recherche avec des faisceaux d’ions. Son principe de fonctionnement est néanmoins resté le même : créer des ions chargés électriquement en arrachant des électrons à des atomes neutres. Les noyaux de ces atomes vont ainsi, en passant dans les champs magnétiques de l’accélérateur, atteindre des vitesses se rapprochant du tiers de celle de la lumière avant de percuter les noyaux des atomes d’une cible.

Ces collisions à très haute énergie permettent d’induire des réactions nucléaires donnant naissance à de nouveaux noyaux dont la proportion neutron-proton, la structure ou encore la forme sont inhabituelles. Observer et analyser ces noyaux radioactifs éphémères permet en effet de révéler les propriétés de la matière nucléaire. S’appuyant sur le travail de 250 permanents (physiciens, ingénieurs, techniciens, personnels administratifs…) auxquels s’ajoutent 700 chercheurs visiteurs venus du monde entier, le Ganil a déjà été à l’origine de nombreuses découvertes sur la structure du noyau de l’atome, sur ses propriétés thermiques et mécaniques, ou encore sur ses modes de désintégration.

En quête des noyaux exotiques

Le laboratoire est notamment à la pointe de la recherche sur les noyaux exotiques, appelés ainsi parce qu’ils ne font pas partie des 291 isotopes stables que l’on trouve à l’état naturel sur Terre. Plus d’une centaine de ces noyaux y ont déjà été découverts, synthétisés et étudiés. La mise en service de Spiral2 va permettre la production et l’étude de nouveaux noyaux exotiques au Ganil, qui deviendra ainsi compétitif dans la course mondiale aux noyaux super lourds (ceux dont le numéro atomique, le nombre de protons, est supérieur à 110). Le Ganil permettra notamment de produire de nouveaux éléments au-delà de l’Oganesson (Og) à 118 protons, qui a vu sa découverte par un laboratoire russe validée en décembre 2015.

Enterrés à neuf mètres sous terre, les différents instruments composant la première phase de Spiral2 sont progressivement mis en service. Ils ne remplaceront pas mais étendront les installations existantes du Ganil dont la superficie passe de 11 000 m² à environ 20 000 m². Le projet avait été divisé en plusieurs phases pour tenir compte des contraintes budgétaires et des procédures d’autorisations de sûreté.

Les intensités des faisceaux d'ions lourds seront 10 à 100 fois plus importantes. La première phase, étalée jusqu’en 2019, sera marquée le 3 novembre 2016 par l’inauguration du tout nouvel accélérateur linéaire Linac, des deux sources d’ions et de l’injecteur qui l’alimenteront.

Une première source permettra de produire des faisceaux d’ions lourds à partir d’éléments allant du carbone à l’uranium. « Les intensités des faisceaux d’ions lourds générés par cette source seront 10 à 100 fois plus importantes que celles disponibles aujourd’hui au Ganil, détaille Jean-Charles Thomas, chercheur CNRS au Ganil. Ces faisceaux seront utilisés principalement pour produire des noyaux radioactifs (exotiques) par réactions de fusion. »

La seconde source produira des faisceaux de particules légères : protons, deutons (noyau composé d’un proton et d’un neutron), et particules alpha (noyau d’hélium 4 composé de deux protons et deux neutrons). « De tels faisceaux de particules légères ne sont pas disponibles aujourd’hui au Ganil, précise le physicien, ils seront notamment utilisés pour produire des faisceaux de neutrons intenses. » Ces faisceaux d’ions lourds ou de particules légères passeront ensuite dans le quadrupôle radiofréquence (RFQ), dont le rôle est d’accélérer les particules ions jusqu’à 4 % de la vitesse de la lumière, tout en les mettant en paquets adaptés à l’injection dans l’accélérateur.

De la recherche pure aux applications sociales

Au cœur des installations Spiral2, l’accélérateur linéaire Linac est constitué de l’enchaînement de 19 cryomodules contenant des cavités supraconductrices fonctionnant à 4,5 K (-270 °C). L’ensemble accélérera les particules jusqu’à une énergie pouvant atteindre 25 % de la vitesse de la lumière, et les ions lourds jusqu’à 18 % de la vitesse de la lumière. Ces faisceaux de haute énergie seront acheminés, en fonction de leur nature, vers deux nouvelles salles d’expérience NFS (Neutrons For Science) et S3 (Super séparateur spectromètre) qui seront très prochainement mises en service.

Spiral2 va nous aider à mieux comprendre les noyaux atomiques produits dans des conditions extrêmes. NFS, qui sera opérationnel en 2017, permettra notamment d’étudier les réactions induites par les neutrons rapides dans les réacteurs nucléaires de nouvelle génération mais aussi les effets des irradiations par neutron dans les domaines de la santé et des matériaux. Quant à la salle S3, dont la mise en fonctionnement est prévue en 2019, elle utilisera les faisceaux d’ions lourds pour produire et étudier les noyaux exotiques produits dans des réactions de fusion nucléaire.

« Du point de vue fondamental, Spiral2 va nous aider à mieux comprendre la structure et le comportement des noyaux atomiques produits dans des conditions extrêmes, indique Julien Piot, physicien du CNRS au Ganil impliqué dans S3, et notamment confirmer l’existence de certains “nombres magiques” de protons-neutrons ainsi que d’un éventuel îlot de stabilité dans les noyaux super lourds. »

Mais Spiral2 aura aussi des applications allant du traitement des déchets radioactifs à la production d’isotopes pour la médecine nucléaire, en passant par l’étude de l’impact des neutrons sur les matériaux et le vivant.