Envoyer des paquets de protons à toute allure autour d'un collisionneur de particules circulaire pour se rencontrer en un point précis n'est pas une mince affaire. De nombreux composants de collisionneurs différents maintiennent les faisceaux de protons sur leur trajectoire et les empêchent de devenir indisciplinés.

Les scientifiques du Laboratoire Fermi ont inventé et développé un nouveau composant de collisionneur il y a 20 ans :la lentille électronique. Les lentilles électroniques sont des faisceaux d'électrons formés dans des formes spécifiques qui modifient le mouvement d'autres particules, généralement des protons, qui les traversent.

Le Tevatron maintenant à la retraite, un collisionneur circulaire au Fermilab, et le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du laboratoire national de Brookhaven ont tous deux bénéficié de lentilles électroniques, un concept développé à l'origine au Fermilab.

« Les lentilles électroniques sont comme un couteau suisse pour les accélérateurs :elles sont relativement simples et peu coûteuses, mais ils peuvent être appliqués dans une grande variété de façons, " a déclaré Alexandre Valishev, un scientifique du Fermilab qui a co-écrit une étude récente pour une nouvelle application de lentille électronique, ce qui pourrait être crucial pour les futurs collisionneurs.

L'innovation est détaillée dans un article publié le 27 septembre dans Lettres d'examen physique .

"Cette petite percée dans la physique des faisceaux et des accélérateurs est en quelque sorte le début d'une plus grande invention - c'est une nouveauté, " a déclaré Vladimir Shiltsev du Fermilab, un auteur de l'article publié. Shiltsev a également joué un rôle majeur dans la création de lentilles électroniques en 1997. "Le laboratoire Fermi est connu pour ses inventions et ses développements qui sont, premier, passionnant, puis, fonctionnel. C'est pour ça que les laboratoires nationaux sont construits, et c'est ce que nous avons réalisé."

Un objectif vers le futur

Ce nouveau type de lentille électronique, appelée lentille d'amortissement Landau, sera un élément essentiel d'un énorme, projet prospectif de recherche en physique des particules :le Future Circular Collider au CERN. La FCC repousserait les limites de la conception traditionnelle des collisionneurs pour approfondir l'étude de la physique des particules au-delà du boson de Higgs, une particule fondamentale découverte il y a seulement cinq ans.

Le FCC proposé doit être une machine à haute luminosité :ses faisceaux de particules devront être compacts et denses. Par rapport au grand collisionneur de hadrons du CERN, les faisceaux auront également une augmentation spectaculaire de l'énergie - 50 000 milliards d'électronvolts, par rapport à l'énergie du faisceau du LHC de 7 000 milliards d'électronvolts. Cela implique une augmentation tout aussi spectaculaire de la taille de l'accélérateur. Avec une circonférence prévue de 100 kilomètres, le FCC éclipserait le LHC de 27 kilomètres.

Ces hautes énergies, les supercollisionneurs à haute luminosité connaissent tous un problème, quelle que soit sa taille :un faisceau intense de protons entassés dans la largeur d'un cheveu humain voyageant sur une longue distance peut devenir instable, surtout si tous les protons voyagent exactement de la même manière.

Dans un collisionneur, les particules arrivent en paquets appelés grappes, c'est-à-dire des flux d'environ un pied de long contenant des centaines de milliards de particules. Un faisceau de particules est formé de dizaines, des centaines ou des milliers de ces grappes.

Imaginez un collisionneur circulaire comme une piste de course étroite, avec des protons dans un tas comme un pack serré de voitures de course. Un débris apparaît soudain au milieu de la piste, perturber la fluidité du trafic. Si chaque voiture réagit de la même manière, dire, en virant brusquement à gauche, cela pourrait conduire à un carambolage majeur.

A l'intérieur du collisionneur, il ne s'agit pas d'éviter une seule bosse sur la piste, mais en s'adaptant à de nombreux obstacles dynamiques, provoquant le changement de trajectoire des protons plusieurs fois. Si une anomalie, comme un pli dans le champ magnétique du collisionneur, se produit de manière inattendue, et si les protons du faisceau y réagissent tous de la même manière en même temps, même un léger changement de cap pourrait rapidement devenir fou.

On pourrait éviter le problème en amincissant le faisceau de particules dès le départ. En utilisant des faisceaux de protons de faible densité, vous offrez moins de possibilités aux protons de dévier de leur trajectoire. Mais cela signifierait éliminer les protons et donc passer à côté d'un potentiel de découverte scientifique.

Un autre, la meilleure façon de résoudre le problème est d'introduire des différences dans le faisceau afin que tous les protons des paquets ne se comportent pas de la même manière.

Pour revenir à la piste :si les pilotes réagissent tous au débris de différentes manières — certains se déplaçant légèrement vers la droite, d'autres légèrement à gauche, un pilote courageux saute juste par-dessus - les voitures peuvent toutes fusionner et continuer la course, aucun accident.

Créer des différenciations au sein d'un groupe de protons ferait essentiellement la même chose. Chaque proton suit le sien, parcours très légèrement différent autour du collisionneur. Par ici, tout départ du parcours est isolé, plutôt que d'être aggravée par des protons se comportant mal de concert, minimisant les oscillations nocives du faisceau.

"Les particules au centre de la grappe se déplaceront différemment des particules à l'extérieur, " a déclaré Shiltsev. " Les protons seront tous un peu gâchés, mais c'est ce que nous voulons. S'ils bougent tous ensemble, ils deviennent instables."

Ces différences sont généralement créées avec un type spécial d'aimant appelé octupôles. Le Tévatron, avant son démantèlement en 2011, avait 35 aimants octupôles, et le LHC en compte désormais 336.

Mais à mesure que les collisionneurs deviennent plus gros et atteignent des énergies plus élevées, ils ont besoin d'un nombre exponentiellement plus élevé d'aimants :le FCC nécessitera plus de 10, 000 aimants octupôles, chacun un mètre de long, pour obtenir les mêmes résultats de stabilisation de faisceau que les collisionneurs précédents.

Que de nombreux aimants prennent beaucoup de place :jusqu'à 10 des 100 kilomètres de la FCC.

"Cela semble ridicule, " Shiltsev a déclaré. "Nous cherchons un moyen d'éviter cela."

La communauté scientifique reconnaît la lentille non linéaire d'amortissement de Landau comme une solution probable à ce problème :une seule lentille électronique d'un mètre de long pourrait remplacer les 10, 000 aimants octupôles et peut-être faire un meilleur travail en gardant les faisceaux stables alors qu'ils accélèrent vers la collision, sans introduire de nouveaux problèmes.

"Au CERN, ils ont adopté l'idée de ce nouveau type de lentille électronique, et les gens là-bas les étudieront plus en détail pour la FCC, " a déclaré Valishev. " Compte tenu de ce que nous savons jusqu'à présent sur les problèmes auxquels les futurs collisionneurs seront confrontés, il s'agirait d'un dispositif d'une criticité extrêmement élevée. C'est pourquoi nous sommes excités."

Electron Legos

La lentille d'amortissement Landau rejoindra deux autres types de lentilles électroniques dans le répertoire d'outils dont disposent les physiciens pour modifier ou contrôler les faisceaux à l'intérieur d'un collisionneur.

"Après de nombreuses années d'utilisation, les gens sont très contents des lentilles électroniques :c'est l'un des instruments utilisés pour les accélérateurs modernes, comme des aimants ou des cavités supraconductrices, " a déclaré Shiltsev. " Les lentilles électroniques ne sont que l'un des blocs de construction ou des pièces de Lego. "

Les lentilles électroniques ressemblent beaucoup aux Lego :les pièces de Lego sont faites du même matériau et peuvent être de la même couleur, mais une forme différente détermine comment ils peuvent être utilisés. Les lentilles électroniques sont toutes constituées de nuages ​​d'électrons, façonné par les champs magnétiques. La forme de la lentille dicte comment la lentille influence un faisceau de protons.

Les scientifiques ont développé la première lentille électronique au Fermilab en 1997 pour compenser les effets dits faisceau-faisceau dans le Tevatron, et un type similaire de lentille électronique est toujours utilisé au RHIC de Brookhaven.

Dans les collisionneurs circulaires, les faisceaux de particules se croisent, aller dans des directions opposées à l'intérieur du collisionneur jusqu'à ce qu'ils soient dirigés vers une collision à des points spécifiques. Tandis que les poutres bourdonnent les unes par rapport aux autres, ils exercent une petite force l'un sur l'autre, ce qui provoque une légère expansion des paquets de protons, diminuant leur luminosité.

Cette première lentille électronique, appelée lentille de compensation faisceau-faisceau, a été créé pour lutter contre l'interaction entre les poutres en les resserrant à leur original, état compact.

Après le succès de ce type de lentille électronique dans le Tevatron, les scientifiques ont réalisé que les faisceaux d'électrons pouvaient être façonnés d'une deuxième manière pour créer un autre type de lentille électronique.

Les scientifiques ont conçu la deuxième lentille pour avoir la forme d'une paille, permettant au faisceau de protons de traverser l'intérieur sans être affecté. Le proton occasionnel pourrait essayer de quitter son groupe et s'éloigner du centre du faisceau. Dans le LHC, perdre même un millième du nombre total de protons de manière incontrôlée pourrait être dangereux. La lentille électronique agit comme un grattoir, éliminer ces particules indésirables avant qu'elles ne puissent endommager le collisionneur.

"Il est extrêmement important d'avoir la capacité de gratter ces particules car leur énergie est énorme, " dit Shiltsev. " Incontrôlé, ils peuvent percer des trous, casser des aimants ou produire des radiations."

Les deux types de lentilles électroniques ont fait leur marque dans la conception des collisionneurs dans le cadre du succès du Tevatron, RHIC et le LHC. La nouvelle lentille d'amortissement Landau peut aider à inaugurer la prochaine génération de collisionneurs.

"La lentille électronique est un exemple de quelque chose qui a été inventé ici au Fermilab il y a 20 ans, " a déclaré Shiltsev. " C'est l'une des rares technologies qui n'a pas seulement été perfectionnée au Laboratoire Fermi :elle a été inventée, développé et perfectionné et continue de briller."