Les mesures directes des réactions nucléaires aux énergies stellaires se heurtent à deux obstacles : des sections efficaces extrêmement faibles et le bruit de fond cosmique. Les laboratoires souterrains comme Jinping suppriment le bruit de fond, mais le problème de la cible demeure. Les cellules à gaz classiques sont fermées par une feuille qui prélève de l'énergie au faisceau et l'étale. Les cibles sans fenêtre résolvent ce problème, mais à des courants de l'ordre du milliampère, de nouvelles difficultés apparaissent : il faut évacuer et recycler le gaz rapidement, et le faisceau chauffe le gaz, modifiant sa densité. À côté de ces travaux, d'autres développements de cibles sans fenêtre existent, comme les systèmes à recirculation de LUNA et les jets gazeux de JENSA, mais tous sont conçus pour des courants plus faibles ou ne disposent pas d'un ensemble complet de diagnostics sous faisceau.
Les ingénieurs ont assemblé un système à trois étages de pompage différentiel : le premier avec des pompes Roots, le deuxième et le troisième avec des pompes turbomoléculaires. Le gaz de la cible est évacué, purifié par condensation et sur des adsorbants à zéolithes, puis renvoyé. La pression dans la chambre est maintenue par un régulateur MKS 250. Pour mesurer le flux de particules, un calorimètre en cuivre avec quatre chauffages et trois thermocouples a été réalisé : il fonctionne en mode de compensation de puissance, c'est-à-dire qu'il maintient une température constante en réduisant le chauffage lorsque le faisceau est appliqué. L'épaisseur de la cible est contrôlée par un tube mobile qui scanne le long du faisceau et capture les particules diffusées deux fois élastiquement : d'abord sur le gaz, puis sur une fine feuille de carbone. Les calculs d'écoulement du gaz ont été effectués avec un modèle incluant le glissement aux parois pour les basses pressions.
Aux pressions de 1, 2 et 3 mbar, le système a maintenu une stabilité de moins de 1 % pendant huit heures, et la pression côté accélérateur est restée autour de 10⁻⁴ Pa. Le modèle d'écoulement du gaz, avec un débit de 1052 cm³/min, a prédit une non-uniformité de pression le long du faisceau d'au plus 1,6 %. Le calorimètre a été testé avec les chauffages : le modèle a reproduit à la fois les régimes transitoires et les températures stationnaires. Il s'est avéré que la sensibilité au faisceau et aux chauffages diffère de 6,2 %, et cette correction doit être prise en compte. Avec un faisceau de protons de 300 à 310 keV, la réaction ¹⁴N(p,γ)¹⁵O a été mesurée et on a observé comment la résonance se déplace le long de la cible. La réaction ¹²C(p,γ)¹³N a montré que le chauffage par le faisceau réduit la densité du gaz : le facteur de chauffage diminue avec l'augmentation de la puissance, jusqu'à 0,75 à 800 mW/cm.
Ce travail se distingue des autres car, pour la première fois, une cible sans fenêtre avec des courants de l'ordre du milliampère combine trois éléments : une circulation de gaz stable, un calorimètre indépendant de l'état de charge du faisceau, et un moniteur d'épaisseur sensible à la position. Auparavant, ces systèmes fonctionnaient soit à des courants plus faibles, soit sans diagnostic complet sous faisceau. Désormais, il est possible de mesurer directement le flux de particules et la densité locale du gaz pendant l'irradiation, ce qui est crucial pour des sections efficaces précises.
Le système est prêt pour des mesures avec des gaz isotopiques, tels que ³He et ²²Ne enrichi. La circulation fermée économisera les gaz coûteux, et le calorimètre et le moniteur d'épaisseur fourniront les données manquantes pour une normalisation absolue. À terme, cela permettra de descendre plus bas en énergie dans les réactions ³He(α,γ)⁷Be et ²²Ne(α,n)²⁵Mg, importantes pour les neutrinos solaires et les sources de neutrons dans les étoiles massives.
Les résultats influenceront l'astrophysique nucléaire, en particulier les mesures de réactions impliquant des noyaux légers. La technique des accélérateurs bénéficiera d'un exemple de fonctionnement fiable de cibles sans fenêtre à courants élevés.
La prochaine étape consiste à étalonner le calorimètre avec un faisceau réel et à comparer ses lectures avec le moniteur d'épaisseur. Ensuite, on pourra passer aux mesures de ³He(α,γ)⁷Be dans le laboratoire souterrain.
Pour l'astrophysique nucléaire, le problème clé non résolu est de mesurer les sections efficaces à des énergies inférieures à la barrière coulombienne, où le signal est noyé dans le bruit de fond. Ce travail résout une partie du problème en fournissant un outil pour un contrôle précis de la cible et du faisceau, mais il ne résout pas la question du bruit de fond provenant de la cible elle-même et du détecteur.
Le calorimètre mesure la puissance du faisceau avec une précision de quelques dixièmes de watt, alors que le faisceau lui-même transporte des centaines de watts. C'est comme remarquer qu'une bouilloire a refroidi d'un demi-degré après y avoir ajouté une cuillère d'eau froide.