Des neutrons froids de haute intensité sondent l’asymétrie matière-antimatière
La source européenne de spallation (ESS pour European Spallation Source) est un laboratoire international pluridisciplinaire construit avec la collaboration de 13 pays européens. Basé à Lund (Suède) et à Copenhague (Danemark), il abritera la plus puissante source de neutrons pilotée par accélérateur au monde. L’ESS devrait permettre de mieux comprendre la structure et le comportement des matériaux aux niveaux les plus fins. La capacité des neutrons à pénétrer profondément dans les matériaux ainsi que leur sensibilité aux éléments légers tels que l’hydrogène et le lithium en font des particules idéales pour l’étude d’échantillons fragiles. Ceci ouvre de nouvelles voies pour la recherche en science des matériaux, en chimie, en biologie structurelle et en physique fondamentale des particules.
Une deuxième source de neutrons
L’ESS prévoit de mettre en place, dès 2027, un programme comprenant jusqu’à 15 instruments de diffusion des neutrons. «Le critère principal pour la conception de la source initiale était d’obtenir une luminosité de neutrons exceptionnellement élevée. Mais la vision de l’ESS ne s’arrête pas là. Sa conception flexible permet l’intégration d’une deuxième source de neutrons», explique Valentina Santoro, coordinatrice du projet HighNESS financé par l’UE. Cette source supplémentaire disposera de caractéristiques complémentaires permettant de délivrer des neutrons froids de haute intensité, caractérisés par de faibles énergies pour l’examen des structures atomiques. Elle produira également des neutrons d’énergie encore plus faible, appelés neutrons très froids (VCN pour very cold neutrons) et neutrons ultrafroids, ce qui élargira le champ des capacités de recherche. «Ces nouvelles capacités permettront de mener d’ambitieux projets de physique fondamentale, notamment la recherche de l’oscillation neutrons-antineutrons, ce qui pourrait permettre de résoudre un des plus grands mystères de l’univers: l’asymétrie matière-antimatière», explique Valentina Santoro. À cette fin, HighNESS s’était fixé pour principal objectif la conception d’une deuxième source de neutrons complémentaire à la source bi-spectrale à haute luminosité placée au-dessus de la cible de spallation. Cette nouvelle source pourra alimenter les futurs instruments de diffusion de neutrons prévus pour l’ESS. «Notre proposition comprenait un dossier scientifique impliquant diverses techniques de diffusion des neutrons, notamment l’expérience NNBAR, qui consiste à détecter l’oscillation neutrons-antineutrons», confie Valentina Santoro. «Sans une source d’une intensité plusieurs fois supérieure à celle du modérateur ESS actuel, nos objectifs scientifiques ne seraient pas réalisables», souligne-t-elle. «Le deutérium liquide, utilisé depuis des décennies dans les réacteurs et les sources de spallation continue, s’est révélé la seule option viable pour une telle source.» La conception finale a fourni une intensité dix fois supérieure à celle de la source ESS actuelle, ce qui est indispensable pour amener l’expérience NNBAR aux niveaux de sensibilité prévus. De plus, la source froide présente une surface d’émission étendue par rapport au modérateur supérieur, ce qui a été exploité pour la conception d’instruments de diffusion de neutrons innovants qui surpasseront ceux qui sont en cours de construction à l’ESS.
Surmonter les défis
L’ambition de développer une source intense de VCN s’est étendue sur plus de deux décennies, se heurtant à des obstacles principalement liés à une compréhension limitée des propriétés des matériaux à basse température, considérés comme des candidats prometteurs pour une telle source. Pour surmonter ces obstacles, HighNESS a développé des bibliothèques de données nucléaires essentielles pour des simulations fiables et la conception de sources de neutrons. Ce développement constitue une avancée majeure dans la conception des sources et est désormais accessible à la communauté, dans le cadre d’une politique de sources ouvertes. HighNESS a également permis à la collaboration NNBAR d’atteindre des sensibilités deux fois supérieures à celles proposées à l’origine, grâce à la conception d’une source froide extrêmement performante, à un nouveau système optique et à des études sur les détecteurs. «En résumé, nous avons mis au point une source qui fait de l’ESS la source de neutrons la plus polyvalente au monde, renforçant ainsi le leadership de l’Europe dans le domaine de la science des neutrons», conclut Valentina Santoro.
Mots‑clés
HighNESS, ESS, neutrons froids, NNBAR, asymétrie matière-antimatière, oscillation neutron-antineutron, European Spallation Source
