Araceli Lopez-Martens, directrice de recherche à IJCLab et responsable scientifique AGATA pour la France : "C’est avant tout une reconnaissance d’excellence pour ce détecteur nouvelle génération " / Image Araceli Lopez-Martens

AGATA infrastructure de recherche nationale

Physique nucléaire

En octobre 2021, le détecteur de rayonnement gamma pour la physique et l’astrophysique nucléaire, AGATA, a été sélectionné pour intégrer la feuille de route nationale des infrastructures de recherche 2021 du MESRI. Araceli Lopez-Martens, directrice de recherche à IJCLab et responsable scientifique du détecteur pour la France nous en dit plus sur ce grand projet et la portée de ce changement de statut.

En préambule

AGATA (Advanced GAmma Tracking Array) est un outil taillé pour étudier la transition des noyaux atomiques exotiques (produits dans des réactions nucléaires entre un faisceau d’ions et les atomes d’une cible) quand ils passent d’un état excité à un état plus stable ou fondamental. Ces basculements, très brefs, de l’ordre de quelques picosecondes ou moins, donnent lieu à l’émission de rayonnements gamma qui viennent réagir avec les longs cristaux de germanium du détecteur. L’analyse fine des traces de leur passage ou de leur absorption permet ensuite de remonter à des informations fondamentales du noyau, comme son temps de vie, sa forme, son moment magnétique et électrique, son moment angulaire, sa température aussi. Autant de données qui renseignent sur la production de ces noyaux dans le cosmos, permettent de mettre à l’épreuve les modèles nucléaires, ou encore d’explorer dans le détail les mécanismes de cohésion des nucléons au sein du noyau. De par sa très grande précision, sa robustesse au bruit ambiant et sa couverture angulaire finale prévue de 4 PI, AGATA dépasse de loin tous les détecteurs de rayonnement gamma précédents comme EuroBall ou GammaSphere, et n’a d’équivalent qu’aux Etats-Unis avec le détecteur GRETA.

AGATA vue de face et de profil
Le détecteur AGATA vu de face et de profil au GANIL. Quand il sera complet, le détecteur fera 4PI, il captera les rayons gamma émis dans toutes les directions. / Image GANIL, Fanny Farget

AGATA est désormais inscrit dans la feuille de route nationale des infrastructures de recherche du MESRI. Qu’est-ce que cela change concrètement ?

C’est avant tout une reconnaissance d’excellence pour ce détecteur nouvelle génération. Il n’y aura pas de financement supplémentaire comme c'est le cas pour les TGIR (les très grandes infrastructures), en revanche, le financement français du projet va pouvoir être sanctuarisé. Cette sanctuarisation est très importante car AGATA va nécessiter encore de gros investissement pour sa finalisation. La phase 2 qui s’ouvre pour 10 ans prévoit d’amener le détecteur à 3PI et d’en moderniser l’électronique et l’infrastructure. Le coût est estimé à 21 millions d’euros, pris en charge à hauteur de 20% par la France. Le statut d’IR donne également plus de visibilité au projet et aux disciplines scientifiques qui en dépendent.

Est-ce que les autres partenaires européens poussent également de leur côté ?

Nous sommes les seuls aujourd’hui à avoir cette nomenclature d’« Infrastructure de recherche ». La Suède espère obtenir le label d’infrastructure d’intérêt national cette année. Dans les autres pays impliqués dans ce projet, dont les plus importants contributeurs sont l’Allemagne, l’Italie et la Grande Bretagne, AGATA est reconnu comme étant un instrument important par les différentes tutelles mais si on fait l’exception de l’Italie qui a imprimé un timbre-poste AGATA, l’instrument n’a pas de reconnaissance officielle.

Combien de pays et de personnes participent à AGATA ?

40 institutions appartenant à 11 pays différents participent à la collaboration. En tout, 200 personnes en Europe sont directement impliquées dans la construction, le développement et l’installation du détecteur, et en France nous sommes 50 si l’on se réfère à la base projet de l’institut. Il y a également toute une communauté d’utilisateurs qui est nettement plus large. AGATA est en effet un instrument ouvert et tout scientifique intéressé peut demander à s’en servir, depuis l’étude des noyaux exotiques, jusqu’à l’étude des radioactivités rares.

A quel stade en est le détecteur aujourd'hui ?

AGATA, a cette particularité d’être à la fois en fonctionnement, en construction et en développement constants. A ce jour, AGATA compte 19 modules sur les 60 nécessaires à la constitution d’un détecteur 4PI. L’objectif fixé de 3PI, nous amènera à 45 unités de détection d’ici 2030. On espère ensuite une phase 2’ pour compléter. Chaque module d’AGATA contient en fait 3 cristaux de germanium ultra segmentés et encapsulés dans un même cryostat. Ces modules représentent 80% du coût d’AGATA et pèsent chacun environ 700 000 euros, ils sont donc produits au compte-goutte en fonction des fonds attribués chaque année. En 2020 la Grande-Bretagne a fourni 3 capsules et l’Italie et la France ont fourni 3 cryostats en 2021. En 2022, il est prévu d’acquérir 6 nouvelles capsules, dont 3 seront achetées par la France.

Quelles améliorations sont prévues pour faire évoluer AGATA ?

 Oui, par exemple nous allons progressivement renouveler l’électronique qui date pour certaines cartes du début des années 2000. AGATA gagnera en rapidité et améliorera sensiblement le comptage des événements. Nous avons modernisé aussi les capsules qui enveloppent les cristaux pour les rendre réutilisables et conçu un nouveau système modulaire de support des détecteurs compatible avec les différents sites expérimentaux d’AGATA en Europe. Il est aussi envisagé de lancer une phase trois de R&D financée par un appel à projet européen, avec pour objectif de rendre les cristaux plus résistants aux neutrons, de passer d’un mode de refroidissement à l’azote liquide à un refroidissement mécanique, ou encore de rapprocher l’électronique de traitement du détecteur et d’intégrer des approches IA dans les algorithmes de traitement des données. Tout ceci dans le but d’aboutir à un appareil plus performant et fiable, mais aussi plus compact et transportable.

AGATA est donc un détecteur mobile qui voyage de site en site ?

C’est même le plus grand détecteur mobile existant. Il vient de finir en 2021 une campagne de 7 ans au GANIL et est parti en camion vers l’Italie au LNL l’été dernier où il est en cours de remontage. On en profite au passage pour lui faire subir un petit lifting. Les cristaux sont chauffés afin d’en évacuer les défauts avant d’être reconditionnés, remontés et requalifiés. En Italie, AGATA sera utilisé dans un premier temps auprès d’un accélérateurs d’ions stables, puis sur un faisceau de noyaux exotiques qui est actuellement en construction. Là-bas le détecteur passera progressivement à 2 PI. Il partira ensuite à FAIR au GSI où il sera complété à 3 PI. Il reviendra au GANIL après.

Propos recueillis par Emmanuel Jullien

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Contact

Araceli Lopez-Martens
directrice de recherche à IJCLab et responsable scientifique AGATA pour la France
Marcella Grasso
DAS Physique nucléaire et applications
Emmanuel Jullien
Responsable de la cellule communication de l'IN2P3