Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Le projet AGATA

Le spectromètre AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) représente le plus grand défi technologique de ces 50 dernières années en spectroscopie gamma. Il s’agit de construire à terme un détecteur 4 π composé de 180 cristaux de germanium de haute pureté et basé sur un nouveau concept : la traque des gammas (cf figure 1).

En effet, les nouveaux enjeux de la physique nucléaire concernent l’étude de phénomènes rares. Il s’agit d’étudier des noyaux dans des états extrêmes. Ceci se traduit par l’exploration de diverses formes du noyau, par l’étude de noyaux de masse et de charge élevées ou par l’étude de noyaux exotiques avec un rapport proton - neutron très différent comparé aux noyaux stables. Pour pouvoir étudier ces noyaux, la sensibilité de détection des détecteurs gamma existants doit être augmentée de 2 à 3 ordres de grandeur. Il sera alors possible, par exemple, d’étudier des noyaux dans des formes extrêmes tels que des noyaux hyperdéformés en rotation rapide. Ce phénomène est prédit par les modèles mais non observé expérimentalement. Il faut par conséquent utiliser un nouveau concept de détecteur  qui permet de suivre la position du gamma dans le germanium.

Ceci est possible par la segmentation du cristal en 36 segments (cf figure 1b), une électronique digitale pour la lecture des 6660 voies et une analyse de la forme des signaux. Ceci nous permet d’identifier et de suivre les interactions du rayonnement gamma dans le germanium et par là même de remonter à sa position et son énergie initiales. Ces grandeurs sont essentielles en spectroscopie gamma.
L’originalité du projet tient également dans le fait que le détecteur est à la fois en construction pour atteindre la phase d'acceptance complète(360 degrés) du détecteur et en utilisation auprès des plus grands laboratoires européens. Après une exploitation de 2 ans à Legnaro (Italie), il est actuellement en utilisation à GSI¹ (Allemagne) avant d’aller en 2014 – 2016 à GANIL² (France).
L’Irfu³ est un acteur essentiel de la collaboration. Les physiciens du SPhN⁴ ont été impliqués dès la conception du détecteur. Ils participent activement à la physique réalisée auprès des différentes installations et sont impliqués dans le pilotage du projet. Les services techniques du SEDI⁵ et du SIS⁶ apportent quant à eux une contribution essentielle au fonctionnement du détecteur.

2012 : le passage de témoin entre Legnaro et GSI

Au vu de l’ampleur du projet, la construction du détecteur a été découpée en plusieurs étapes. La première consistait à construire un démonstrateur de 15 cristaux de germanium (cf figure 2a) et à l’exploiter de 2010 à 2011 pour une campagne de physique d’une durée totale de 150 jours à Legnaro (Italie). Une vingtaine d’expériences ont été réalisées lors de cette campagne. Ces études ont porté sur une gamme étendue de noyaux allant de l’oxygène (Z = 8) à l’uranium (Z = 92). Différentes propriétés de ces noyaux ont été étudiées telles que leur forme, leur structure ou leur durée de vie. La versatilité d’AGATA peut être appréciée sur la figure 3 qui fait état des différentes expériences réalisées à Legnaro. Le SPhN a participé à trois expériences (en rouge sur la figure 3) et a été porte-parole de deux expériences (en jaune sur la figure 3), dont une a fait l’objet d’une thèse dans le service.

La campagne s’est terminée fin 2011 et a permis de prouver la réussite des avancées technologiques mises en place sur le démonstrateur d’AGATA. L’année 2012 a été charnière avec le passage à la phase 1 π du projet (45 détecteurs) (cf figure 2b) et son déménagement à GSI (Allemagne).
Le rôle de l’Irfu a été là encore crucial. Nous avons pris part au déménagement, à l’installation à GSI et au test de l’ensemble. Les implications de l’Irfu dans la partie technique du projet concernent d’une part l’infrastructure: le SIS est maître d’œuvre de la gestion du système de remplissage en azote liquide des détecteurs d’AGATA et des basses tensions. D’autre part, nous sommes impliqués dans les détecteurs d’AGATA. Un laboratoire d’intégration et de validation des cristaux de germanium pour la collaboration AGATA a été installé au SEDI, l’Irfu étant l’un des trois laboratoires réalisant cette validation avec l’IKP⁷ de Cologne (Allemagne) et l’Université de Liverpool (Grande Bretagne). Ceci a également permis une remise en état des cristaux déplacés de Legnaro au GSI. Une première campagne d’expériences vient de se terminer à GSI.