L'Allemagne capture pour la première fois des noyaux d'argon à 30 % de la vitesse de la lumière et réalise un refroidissement électronique

Le 3 août, des chercheurs de l'Institut de recherche sur les ions lourds (GSI) en Allemagne ont, pour la première fois, réussi à ralentir et à capturer des ions argon complètement ionisés (^36Ar^18+) à l'aide du dispositif de piège à ions hautement chargés HITRAP. Ces ions, ayant perdu toutes leurs couches électroniques, peuvent être considérés comme des « noyaux nus », leur vitesse initiale étant d'environ 30 % de celle de la lumière. Les résultats de ces recherches ont été publiés dans la revue Physical Review X.

L'intérieur du résonateur radiofréquence qui ralentit la vitesse des ions

Les ions hautement chargés sont généralement produits par des accélérateurs de particules et se forment dans des conditions de champs électriques intenses et de hautes énergies. En raison de leur vitesse extrêmement élevée après leur production, il est nécessaire de les arrêter, de les capturer et de les refroidir avant de pouvoir effectuer des mesures physiques de précision. L'équipe de recherche a indiqué que cette expérience a permis, pour la première fois, de réaliser l'ensemble du processus allant de la production d'ions hautement chargés à leur stockage dans un piège spécial pendant au moins 11 secondes.

Le piège de Penning utilisé dans cette expérience confine les particules par une combinaison de champs magnétiques et électriques. Le champ magnétique uniforme fait décrire aux ions un mouvement hélicoïdal dans la direction radiale, limitant ainsi leur mouvement dans deux directions ; le champ électrostatique confine quant à lui les ions dans la troisième direction, empêchant leur fuite le long des lignes de champ magnétique. Pour pénétrer dans ce piège, l'énergie cinétique des ions argon a dû être réduite d'environ 10 000 fois.

Après la capture, l'énergie des ions reste encore trop élevée pour répondre aux exigences d'une étude précise. Les chercheurs ont ensuite appliqué une méthode de refroidissement électronique, en introduisant dans le piège de Penning un faisceau d'électrons dont l'énergie correspond à celle des ions argon présents dans le piège. Les électrons, en interagissant avec les ions, absorbent une partie de leur énergie, ce qui refroidit davantage les ions et prolonge leur temps de séjour dans le piège.

Les chercheurs ont déclaré qu'il s'agit de la première fois qu'un refroidissement électronique d'ions hautement chargés est rapporté dans un piège de Penning. Ces résultats devraient offrir de nouvelles conditions expérimentales pour les mesures de haute précision des ions lourds et des ions hautement chargés, et favoriser la poursuite des recherches en physique nucléaire connexe.