Seul 0,1 % de tous les protons accélérés au CERN parviennent au LHC. Cependant, jusqu'à 60 % des protons percutent les cibles de l’installation ISOLDE, produisant des isotopes radioactifs pour les nombreuses expériences qu'elle abrite. Pour optimiser le potentiel de cette pléthore de protons, les scientifiques et les ingénieurs d'ISOLDE ont réparé et amélioré la pièce maîtresse de l'accélérateur linéaire compact pour isotopes lourds HIE-ISOLDE (High Energy and Intensity Isotope mass Separator On-Line).

Le linac HIE-ISOLDE est une véritable prouesse d'ingénierie. Les ingénieurs d'ISOLDE ont en effet réussi à insérer dans l'espace restreint situé entre les lignes de faisceaux, qui transportent les noyaux radioactifs vers les expériences ISOLDE, un accélérateur composé de 20 cavités radiofréquence supraconductrices, regroupées en quatre cryomodules, chacun refroidi à 4,9 kelvins. Cet accélérateur porte les isotopes radioactifs à une vitesse pouvant atteindre 10 % de celle de la lumière. À cette énergie, les noyaux peuvent fusionner ou échanger des nucléons (protons et neutrons) avec les atomes des cibles expérimentales sur lesquelles ils s'écrasent après leur course à l'intérieur du linac. L'énergie élevée des faisceaux réaccélérés d'ISOLDE, qui ont atteint leur énergie maximale en 2018, s’est traduite par d'intéressantes découvertes, notamment celle de noyaux du radium en forme de poire, faite à l'installation HIE-ISOLDE. L'implantation de ces isotopes radioactifs dans des molécules pourrait contribuer à jeter une lumière nouvelle sur la physique au-delà du Modèle standard.

Ces résultats ont été rendus possibles grâce à la machine HIE-ISOLDE, malgré quelques problèmes techniques rencontrés pendant la pause hivernale 2017-2018, après l’installation du dernier cryomodule. L’une des 20 cavités radiofréquence s’était en effet révélée défectueuse après avoir été installée. Les faisceaux ont donc été accélérés, jusqu'à présent, « seulement » par les 19 cavités restantes. De plus, l'accélérateur n'a pas pu fonctionner à plein régime en raison de pertes de faisceau inexpliquées. Le deuxième long arrêt (LS2) a permis de régler ces problèmes, et d'améliorer le canon à électrons du système de surionisation de REX-ISOLDE, qui arrache quelques électrons des isotopes avant de les injecter dans le linac pour une meilleure accélération.

Certains d'entre vous se souviennent peut-être des routes fermées à la circulation en janvier 2020 pour laisser passer un camion roulant à une vitesse moyenne de 0,5 km/h. Ce camion rapportait à ISOLDE le cryomodule avec la cavité défectueuse, qui venait d'être réparée avec le plus grand soin à l'installation SM18. « Un cryomodule est comparable à un vaisseau spatial : tous deux sont constitués de quelque 10 000 pièces, assemblées dans une salle propre utilisée à cet effet dans le hall d'assemblage de SM18. Sachant que le moindre grain de poussière ou la moindre aspérité sur la route au retour pourrait détruire la supraconductivité ou altérer l'alignement des cavités à l'intérieur du cryomodule, il nous faut être extrêmement prudents lorsque nous installons ces éléments dans la machine. Un fois mis en place, il est difficile de revenir en arrière », explique Erwin Siesling, coordinateur technique de HIE-ISOLDE.

En dépit de ces difficultés, et après un trajet extrêmement lent, le cryomodule est finalement parvenu à l'accélérateur HIE-ISOLDE, tout comme les nouveaux boîtiers de diagnostic, qui ont été installés le long du linac résistif (REX-ISOLDE), servant de préinjecteur au linac HIE-ISOLDE. Grâce à ces nouveaux boîtiers de diagnostic, les équipes ont pu commencer à percer le mystère des pertes de faisceau.

Avant que les protons produits par le Booster du Synchrotron à protons (PS) ne recommencent à affluer dans l'installation ISOLDE, un faisceau de néon stable, provenant d'une source indépendante, a été injecté dans les machines mises à niveau de manière à régler les cavités ; pour l'instant, tout fonctionne à merveille. Avec l'énergie supplémentaire fournie par la cavité réparée et un faisceau d'une plus grande intensité grâce au tout nouveau canon à électrons, HIE-ISOLDE est prêt à accélérer des éléments plus lourds à des énergies plus élevées afin de repousser les frontières de la physique nucléaire.