Vue de la coupe d'un aimant modèle court pour le quadripôle du LHC à haute luminosité, avec trois bobines fabriquées au CERN et une bobine fabriquée aux États-Unis. Crédit :Robert Hradil, Monika Majer/ProStudio22.ch
Alors que le LHC est au début d'une nouvelle saison de prise de données, des scientifiques et des ingénieurs du monde entier travaillent dur pour développer de tout nouveaux aimants pour la mise à niveau du LHC, le LHC à haute luminosité (HL-LHC).
En effet, pour cette mise à niveau, plus d'un kilomètre de la machine LHC doit être remplacé. L'installation commencera en 2024, et il y aura environ 100 aimants de 11 nouveaux types :quatre types d'aimants principaux (aimants dipolaires et quadripolaires qui courbent et focalisent les faisceaux), et sept types différents d'aimants correcteurs.
En particulier, les nouveaux aimants quadripolaires principaux, qui se trouveront dans les régions d'insertion de part et d'autre des détecteurs ATLAS et CMS, exploiter une technologie innovante clé offrant des champs au-delà de 10 Tesla. Ils sont construits en niobium-étain (Nb3Sn), en utilisant une conception unique qui permet d'augmenter l'intensité du champ magnétique de crête d'environ 50 % par rapport aux dipôles actuels du LHC, le portant d'environ huit à environ 12 teslas (T). Ils serreront les faisceaux avant les collisions, remplacer les quadripôles dans les triplets du LHC. Ces aimants contribueront à augmenter la luminosité intégrée du HL-LHC – le nombre total de collisions – jusqu'à un facteur 10 au-delà de la valeur nominale du LHC.
Les nouveaux aimants quadripolaires sont développés dans le cadre d'une collaboration entre le CERN et le consortium LHC-AUP (LHC Accelerator Upgrade Project), qui implique trois laboratoires américains. Deux types de ces nouveaux aimants quadripolaires de deux longueurs différentes (4,5 mètres aux États-Unis et 7,5 mètres au CERN) sont en cours de développement.
Les nouvelles bobines de 7,15 mètres de long pour les quadripôles Nb3Sn du HL-LHC, dans le bâtiment Large Magnet Facility. Crédit :M. Brice/CERN
Maintenant que la phase de conception est terminée, les aimants principaux sont en phase de prototype. Compte tenu du coût élevé des matériaux des aimants, des essais sont effectués sur des modèles plus courts (1,5 mètre) pour évaluer la stabilité de la conception et de la structure mécanique. L'un des principaux enjeux des aimants Nb3Sn est la gestion des contractions thermiques, parce que les matériaux qui composent l'aimant doivent subir des changements sévères, d'être chauffé à 650 °C pour fabriquer le supraconducteur, puis refroidi à des températures cryogéniques – nécessaires aux aimants pour fonctionner dans un état supraconducteur.
L'année dernière, un quadripôle modèle court de 1,5 mètre de long, composé de deux bobines du consortium LARP (LHC Accelerator Research Program) et de deux du CERN, a été testé aux États-Unis, atteignant un champ magnétique de crête de 13 T. Un autre modèle court, avec trois bobines fabriquées au CERN et une aux États-Unis, a également été testé au CERN plus tard dans l'année, pour vérifier la reproductibilité des performances. Il a atteint un champ de pointe de 12,2 T, au-dessus du champ magnétique nominal, mais quelques dixièmes de tesla en dessous de l'objectif de performance ultime. Une autre itération de l'assemblage sera effectuée dans la deuxième partie de l'année. Un troisième modèle court des triplets de part et d'autre d'ATLAS et CMS, et le premier avec un ensemble homogène de bobines, sera bientôt testé au CERN. Ce sera un test important pour valider de nombreuses caractéristiques de la conception du quadripôle.
En janvier 2017, une bobine pleine longueur de 4,5 mètres – une longueur record du monde, pour un aimant Nb3Sn dans un accélérateur - a été testé au laboratoire national américain de Brookhaven et a atteint la valeur de champ nominale de 13,4 T.
Pendant ce temps au CERN, le bobinage de bobines de 7,15 mètres de long a déjà commencé dans le bâtiment Large Magnet Facility. "La mise à l'échelle de un à sept mètres n'est absolument pas une tâche anodine, et c'est l'un des principaux défis technologiques de ce projet, " dit Ezio Todesco, un physicien dans la section SC Magnet Design and Technology, dans les aimants, Groupe Supraconducteurs et Cryostats du département Technologie, qui dirige les travaux du projet HL-LHC portant sur les aimants des régions d'insertion. « Entre la fin de cette année et la fin de l'année prochaine, nous testerons les premiers prototypes pleine longueur. Nous aurons alors la confirmation qu'ils fonctionnent comme prévu, et voir si une itération de conception est nécessaire, " il ajoute.
