Sur la péninsule de Renping à Huizhou, dans le Guangdong, plusieurs bâtiments rouges ont surgi de terre, dont deux particulièrement remarquables : l'un en forme de triangle arrondi, l'autre semblable à une piste d'athlétisme géante. À 13 mètres sous terre se cache également un tunnel de deux kilomètres de long. C'est là qu'est installé le grand équipement scientifique national — l'Installation de recherche sur les ions lourds à haute intensité (HIAF).

Le 21 juillet, le HIAF a passé avec succès la validation technique. Le groupe d'experts chargé de la validation a unanimement estimé que les performances globales du HIAF atteignaient un niveau de pointe parmi les installations similaires dans le monde, marquant un bond en avant dans le développement de l'accélérateur d'ions lourds à haute intensité en Chine. À ce jour, tous les travaux de construction de ce projet sont terminés, l'installation est officiellement entrée en phase d'essai et ouvre ses portes à la recherche scientifique.

« Le HIAF est la première installation de recherche avancée sur les ions lourds au monde à intégrer un accélérateur linéaire supraconducteur, un synchrotron et un anneau de stockage », explique Yang Jiancheng, directeur adjoint de l'Institut de physique moderne de l'Académie chinoise des sciences et ingénieur en chef du HIAF. Il fournit le faisceau d'ions lourds à la plus haute intensité pulsée au monde, équipé d'un spectromètre annulaire de masse à la plus haute précision, offrant une plateforme de recherche de premier ordre pour les frontières de la science nucléaire et les applications majeures des ions lourds.

Proposition innovante d'une nouvelle méthode d'étalement dans l'espace des phases à six dimensions

Qu'est-ce que le HIAF exactement ? Yang Jiancheng le compare à la fois à un « super microscope » et à un « canon à ions ».

En termes simples, un accélérateur d'ions lourds utilise des moyens artificiels pour créer des faisceaux d'ions à grande vitesse, qui bombardent avec précision une cible, produisant une multitude de fragments de particules. Les scientifiques analysent ensuite ces fragments pour sonder couche par couche la structure microscopique interne de la matière.

Dès les années 1980, la Chine a construit son premier grand accélérateur d'ions lourds — l'Accélérateur d'ions lourds de Lanzhou. Pourquoi construire le HIAF ? Yang Jiancheng répond en souriant : « Alors que la recherche scientifique s'aventure toujours plus loin dans l'infiniment petit et vers des conditions extrêmes, la construction d'un accélérateur d'ions lourds à hautes performances et haute intensité est devenue un besoin urgent pour faire progresser les frontières de la science nucléaire. »

L'Institut de physique moderne de l'Académie chinoise des sciences a proposé l'idée de construire le HIAF en 2009. En décembre 2018, la construction du HIAF a officiellement débuté à Huizhou, et le premier faisceau a été produit avec succès en octobre 2025.

Le point de départ de l'ensemble de l'installation se trouve à 13 mètres sous terre, où est installée une source d'ions supraconductrice. Son rôle est d'arracher une partie des électrons des atomes, transformant ceux-ci en ions chargés et leur conférant une énergie initiale.

L'indicateur le plus essentiel d'un accélérateur de nouvelle génération est la « haute intensité de faisceau ». Comment faire produire à la source d'ions un faisceau plus intense est également un point focal de la recherche internationale actuelle. « C'est la première source d'ions ECR (résonance cyclotronique électronique) supraconductrice de quatrième génération au monde, développée en interne », explique Shen Guodong, responsable du département général de l'accélérateur au Centre de technologie des accélérateurs, en montrant une grande machine blanche aux journalistes. « L'équipe a porté la fréquence micro-ondes à 45 gigahertz, établissant un record mondial d'intensité de faisceau pour une source ECR. »

Cette source d'ions fonctionne en mode pulsé, avec un contrôle temporel précis permettant d'extraire le faisceau d'ions dans des conditions optimales. « Ce processus s'apparente à un réglage précis de l'accélérateur et du calage de l'allumage d'un moteur, permettant au faisceau d'ions d'atteindre son état de fonctionnement optimal dès le "moment du départ" », explique Shen Guodong.

L'innovation ne s'arrête pas là. Pour accumuler un grand nombre de particules à une intensité extrêmement élevée, il faut aussi les maintenir parfaitement ordonnées — un défi de classe mondiale, sans percée majeure depuis plus de 20 ans à l'échelle internationale. La nouvelle méthode proposée par l'équipe, « étalement dans l'espace des phases à six dimensions + accumulation à horloge indépendante », étend non seulement la méthode d'injection, auparavant limitée à deux dimensions, à six dimensions, mais brise également la limite du rapport de circonférence.

« C'est comme organiser d'abord une chorégraphie pour des centaines de millions de "projectiles ioniques", les répartissant uniformément dans l'espace des phases, puis utiliser une horloge indépendante pour diriger précisément les ions, les injectant par lots et en alternance dans l'accélérateur principal », explique Yang Jiancheng de manière imagée. « Cela permet une synchronisation sans interférence à l'échelle de la milliseconde, aboutissant finalement à un faisceau d'ions de haute intensité et de haute qualité nécessaire aux expériences. »

C'est précisément cette percée qui a permis au HIAF d'augmenter le gain d'accumulation d'intensité de 10 fois par rapport au niveau international le plus élevé, et de réduire les pertes de faisceau d'un ordre de grandeur.

Record mondial d'intensité de faisceau pulsé d'ions lourds battu

« Les équipements essentiels du HIAF sont entièrement produits en Chine », déclare fièrement Yang Jiancheng. « Nous avons construit l'accélérateur d'ions lourds à la plus haute intensité de faisceau pulsé au monde ! »

Cette confiance repose sur la persévérance de l'équipe pendant seize ans et sur sa détermination à s'attaquer aux problèmes les plus ardus.

Pour garantir un passage sans entrave du faisceau d'ions lourds, l'équipe a d'abord dû construire une « autoroute » — le tube à vide. « Les ions lourds parcourent environ plusieurs centaines de milliers de tours par seconde. Cette course effrénée ne tolère pas la moindre poussière, sinon le faisceau entrerait en collision avec les molécules de gaz et "ferait naufrage" », révèle Jiao Jiqiang, ingénieur au département des technologies du vide du Centre de technologie des accélérateurs, avec une astuce exclusive : la chambre à vide à paroi ultra-mince avec squelette interne, une première mondiale.

La peau de cette chambre à vide est fine comme une aile de papillon, avec une épaisseur de seulement 0,3 millimètre, soit l'équivalent de trois feuilles de papier A4 empilées ; à l'intérieur, un squelette en alliage de titane imprimé en 3D, d'une épaisseur de 4 millimètres, la soutient. Le vide à l'intérieur est plus poussé que celui de la surface lunaire. De plus, cette conception est non seulement robuste et à faibles courants de Foucault, mais elle réduit également considérablement les coûts de construction.

Courir vite ne suffit pas, il faut aussi courir stable. Dans le système d'alimentation électrique du HIAF, l'alimentation pulsée de l'aimant dipolaire de l'anneau booster joue le rôle de « timonier précis » du faisceau. L'équipe a développé la première alimentation pulsée rapide à cycle de stockage d'énergie complète avec pré-excitation non résonante au monde, résolvant le problème des variations extrêmement rapides du courant et du contrôle de haute précision pendant le fonctionnement pulsé.

Cette alimentation atteint une vitesse de montée du courant de 38 000 ampères par seconde, la plus rapide au monde, avec une erreur de suivi inférieure à 0,2 ampère. « C'est comme si, sur une autoroute entre Pékin et Shanghai, une voiture de course superbe roulant à environ 140 000 km/h ne s'écartait jamais de plus de 20 centimètres de sa voie », explique Wang Xiaojun, directeur adjoint du département des technologies d'alimentation du Centre de technologie des accélérateurs.

Pour que le faisceau continue de « courir », il faut une source d'énergie inépuisable. Accélérer le faisceau d'ions lourds à haute énergie nécessite le « super moteur » du faisceau — le système radiofréquence. Cependant, le composant essentiel de ce système, l'« anneau magnétique en alliage refroidi à l'huile de grande taille », a longtemps fait l'objet d'une interdiction stricte d'exportation et d'un blocus technologique de la part de l'étranger.

« Lors du lancement officiel du projet, ce composant n'avait pas encore été développé, et la pression était énorme », se souvient Cong Yan, directeur du département des technologies radiofréquences du Centre de technologie des accélérateurs. Les collaborations avec plusieurs fabricants nationaux progressaient lentement, et les échantillons ne répondaient pas aux exigences. Ils ont mené des expériences répétées à partir des matériaux de base et ont finalement réussi à développer un anneau magnétique en alliage haute performance de fabrication chinoise, dont les paramètres de performance essentiels dépassent de plus de 60 % ceux des produits internationaux équivalents.

Grâce à une innovation autonome sur toute la chaîne, le HIAF a réalisé la mise en service complète de la ligne de faisceau de 2 kilomètres en 16 heures, établissant un nouveau record de vitesse de réglage du faisceau parmi les installations similaires dans le monde. Les intensités typiques des faisceaux d'ions oxygène et bismuth du HIAF ont toutes deux battu des records internationaux, multipliant respectivement par 3 et par 7,5 les meilleures performances internationales précédentes. De nombreuses expériences qui nécessitaient auparavant des mois, voire des années, pour accumuler des données pourront désormais être réalisées en quelques jours, voire quelques heures.

Vers la synthèse de nouveaux éléments chinois

La ligne de faisceau du HIAF s'étend sur 2 kilomètres au total, embarquant 6 000 grands équipements, plus de 5 millions de composants et 1,5 million de mètres de canalisations techniques. Pour une installation scientifique d'une telle envergure et d'une telle complexité, la communauté internationale a généralement besoin de deux à trois ans pour l'installation. L'équipe du HIAF, elle, a construit une plateforme collaborative de jumeau numérique à l'échelle du système complet, réduisant la période de construction à 8 mois. Cette technologie a déjà été étendue à la construction de plusieurs autres grands équipements scientifiques, tels que la source de lumière avancée de Hefei et l'installation laser à attosecondes avancée.

En tant que premier grand équipement scientifique au monde combinant « accélérateur linéaire supraconducteur + synchrotron à cycle rapide + anneaux de stockage en cascade », la configuration unique « trois-en-un » du HIAF offre deux avantages essentiels : premièrement, la couverture de tous les types d'ions, répondant aux besoins de recherche dans de multiples disciplines ; deuxièmement, une intensité de faisceau extrêmement élevée, permettant de fournir des données expérimentales plus riches et de produire davantage de nouveaux nucléides difficiles à générer auparavant, aidant ainsi les chercheurs à découvrir de nouveaux phénomènes physiques.

Yang Jiancheng déclare avec enthousiasme : « Avec ce grand équipement scientifique, les scientifiques chinois ont l'espoir de synthétiser leurs propres nouveaux éléments, plantant le drapeau rouge à cinq étoiles sur le tableau périodique des éléments. » Actuellement, le tableau périodique compte 118 éléments, et la septième période est entièrement remplie. Les États-Unis, la Russie, l'Allemagne et le Japon ont déjà synthétisé avec succès 15 nouveaux éléments, nommés d'après leur pays ou leur lieu. Explorer la synthèse des nouveaux éléments 119 et 120 est précisément l'un des objectifs scientifiques majeurs du HIAF.

Outre l'exploration des limites d'existence du noyau atomique, une fois opérationnelle, l'installation se concentrera également sur la révélation des processus astrophysiques nucléaires, la promotion du développement de l'énergie nucléaire et des applications multidisciplinaires. Par exemple, le HIAF pourra également être utilisé pour tester la résistance aux radiations des engins spatiaux, promouvoir le développement de l'énergie nucléaire et la recherche de matériaux fonctionnels, et jouera un rôle considérable dans la vie quotidienne, comme le développement de la thérapie du cancer par ions lourds et de médicaments à base d'isotopes médicaux, ainsi que leur application à l'amélioration des cultures et à la conservation des aliments. Actuellement, un nouveau dispositif de radiothérapie par ions lourds universel, issu de la transformation des technologies avancées du HIAF, a déjà été installé à l'Hôpital populaire municipal de Huizhou.

Il convient de noter que l'équipe a également prévu une marge pour l'avenir. « Le tunnel de l'accélérateur linéaire supraconducteur mesure près de 400 mètres de long ; actuellement, plus de 100 mètres sont installés, et les 200 mètres restants sont réservés aux futures mises à niveau et itérations », explique Shen Guodong. Cette conception prospective permet au grand équipement scientifique de s'adapter sereinement aux besoins de recherche en constante évolution.

« Partis de zéro, passant du statut de suiveur à celui de leader, nous avons inscrit la solution chinoise sur la carte mondiale de la technologie, construisant un "équipement national" à la pointe de la science nucléaire et des applications majeures », déclare Yang Jiancheng. « À ce nouveau point de départ, nous espérons fournir aux utilisateurs des faisceaux de haute performance et de haute qualité, contribuant à la production de résultats majeurs. »