Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Après trois années de développement, une partie du dispositif MINOS (acronyme pour MagIc Numbers Off Stability) a été envoyée à RIKEN en Juin 2013. Le projet est financé par l’Europe (bourse ERC portée par Alexandre Obertelli, 2010-2015). Le dispositif est constitué d’une cible d’Hydrogène liquide épaisse entourée d’une chambre à projection temporelle (TPC) cylindrique utilisée pour reconstruire la position du vertex de réaction dans la cible. L’avantage de l’utilisation d’une cible épaisse combinée à une TPC est double: l'augmentation du taux de comptage d’un facteur 5 par rapport à une cible standard tout en maintenant une bonne résolution en énergie pour effectuer la spectroscopie des noyaux d’intérêt. Ceci est réalisé grâce à la reconstruction de la position du vertex de réaction et donc de l’énergie cinétique du faisceau à cet endroit. L’objectif est d’étudier la structure des noyaux très exotiques qui sont disponibles seulement sous forme de faisceaux de basse intensité (moins d’une particule par seconde) produits par fragmentation à l’énergie de plusieurs centaines de MeV/nucléon. Les nombres magiques de neutrons et protons sont une des clés pour caractériser la structure en couches du noyau. Des changements de la structure en couches nucléaires ont déjà été observés pour des noyaux instables, et d’autres sont prédits. Ces modifications de structure, ainsi que les limites de la stabilité nucléaire, pourront être étudiées avec le dispositif MINOS à RIKEN pour des noyaux très riches en neutrons comme ²⁸O, 5⁶Ca et ⁷⁸Ni, avec un rapport entre neutrons et protons de 1,8.

Le détecteur MINOS utilise des technologies développées au CEA comme le détecteur Micromegas (SEDI) et  une partie de l’électronique GET (SPhN et SEDI). Les équipes de l’IRFU (SACM et SIS) ont mis au point une cible d’Hydrogène liquide de forme cylindrique de 150 mm de long et 52 mm de diamètre. L’enveloppe en Mylar, d’épaisseur inferieure à 150 mm, est constituée de deux parties, collées sur un support d’Inox équipé de tubes d’alimentation et de retour d’Hydrogène. La cible, située dans la chambre à réaction en partie inférieure, est connectée à un cryostat (voir figure n°1) équipé d’une tête froide, elle-même raccordée à un condenseur. L’ensemble permet d’obtenir la liquéfaction de l’Hydrogène à 20,3K. Le liquide ainsi obtenu est transféré par gravité dans la cible (voir figure n°2)

Les vapeurs froides d’Hydrogène issues de la cible retournent dans le condenseur. Ce système fonctionne en boucle fermée et permet de limiter la quantité d’Hydrogène mise en jeu dans l’installation. Une fois le système stabilisé en température, aucun apport d’Hydrogène n’est nécessaire pour l’exploitation de la cible, le cycle se perpétue. La particularité de ce système cryogénique est de pouvoir vider en moins de trente secondes la cible sans arrêter le cryocooler. En effet la fermeture d’une vanne montée sur le circuit retour de la cible provoque une surpression suffisante pour repousser le liquide de la cible vers le condenseur situé un mètre au-dessus. Cet état dit de «cible vide» (en fait des vapeurs froides d’Hydrogène 55 fois moins denses que le liquide) peut être maintenu pendant 10 heures. En ouvrant la vanne, le liquide réintègre la cible en 20 secondes et le cycle cible pleine est réamorcé. Cette fonctionnalité permet d’effectuer facilement des mesures du bruit de fond physique dû aux réactions sur les fenêtres d’entrée et de sortie de la cible.

Le système a été testé avec succès début Juillet 2013 par l’équipe de l’IRFU en collaboration avec les physiciens de RIKEN impliqués dans le projet ( figure n°3). Un cycle complet de fonctionnement du système a été réalisé sur 72 heures. Une démonstration de la fonctionnalité «cible vide» a été effectuée.