Le CERN a testé avec succès des "cavités de crabe" pour faire tourner un faisceau de protons – une première mondiale. L'essai a eu lieu le 23 mai à l'aide d'un faisceau provenant de l'accélérateur Super Synchrotron à Protons (SPS) du CERN et a montré que des paquets de protons pouvaient être inclinés à l'aide de ces cavités supraconductrices à radiofréquence transversale. Ces cavités sont un élément clé du grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC), la future mise à niveau du LHC.

Le HL-LHC, qui sera mis en service après 2025, augmentera la luminosité du LHC d'un facteur de cinq à dix. La luminosité est un indicateur crucial des performances d'un collisionneur :elle donne le nombre de collisions potentielles par unité de surface sur une période de temps donnée. En d'autres termes, plus la luminosité est élevée, plus le nombre de collisions est élevé et plus les expériences peuvent collecter de données. Cela permettra aux chercheurs d'observer des processus rares qui se produisent au-delà du niveau de sensibilité actuel du LHC. Les physiciens pourront également réaliser des études précises des nouvelles particules observées au LHC, comme le boson de Higgs. Les cavités de crabe nouvellement développées joueront un rôle important pour augmenter la luminosité.

Dans le LHC, les deux faisceaux contrarotatifs ne sont pas un flux continu de particules mais sont constitués de "paquets" de protons de quelques centimètres de long, contenant chacun des milliards de protons. Ces paquets se rencontrent sous un petit angle à chaque point de collision des expériences. Installé de part et d'autre des expériences ATLAS et CMS, les cavités du crabe "inclineront" les paquets de protons dans chaque faisceau pour maximiser leur chevauchement au point de collision. de cette façon, chaque proton du paquet sera forcé de traverser toute la longueur du paquet opposé, augmentant la probabilité de collisions et donc plus de luminosité. Après avoir été incliné, le mouvement des paquets de protons semble être latéral - tout comme un crabe. Des cavités de crabe étaient déjà utilisées dans le collisionneur KEKB au Japon pour les électrons et les positons, mais jamais avec des protons, qui sont plus massives et à des énergies significativement plus élevées. « Les cavités du crabe devraient augmenter la luminosité globale de 15 à 20 %, " explique Rama Calaga, chef du projet de la cavité du crabe.

Les deux premiers prototypes de cavité de crabe ont été fabriqués au CERN en 2017 en collaboration avec l'Université de Lancaster et le Science and Technology Facilities Council (STFC) au Royaume-Uni, ainsi que le programme américain de recherche sur les accélérateurs LHC (USLARP). Les cavités ont été assemblées dans un cryostat et testées au CERN. Ils sont constitués d'un matériau supraconducteur de niobium de haute pureté, fonctionnant à 2 Kelvins (-271°C), afin de générer une tension transversale très élevée de 3 à 4 millions de volts. Les cavités ont été installées dans l'accélérateur SPS lors du dernier arrêt technique hivernal pour subir des tests de validation avec des faisceaux de protons.

Les premiers essais de faisceau le 23 mai ont duré plus de 5 heures à une température de 4,2 K avec un seul paquet de protons accéléré à 26 GeV et contenant entre 20 et 80 milliards de protons, presque l'intensité des paquets du LHC. Les cavités du crabe étaient alimentées à environ 10 % de leur tension nominale. Le "crabbing" a été observé à l'aide d'un moniteur spécial pour observer l'inclinaison le long de la grappe. « Ces tests marquent le démarrage d'une installation unique pour tester les cavités supraconductrices sur un courant fort, faisceau de protons à haute énergie, " explique Lucio Rossi, chef de file du projet HL-LHC. « Les résultats sont impressionnants et cruciaux pour prouver la faisabilité de l'utilisation de telles cavités pour augmenter la luminosité dans le LHC. »

Dans les mois à venir, les cavités seront mises en service à leur tension nominale de 3,4 millions de volts et subiront une série de tests pour valider pleinement leur fonctionnement pour l'ère HL-LHC. Au total, 16 cavités de ce type seront installées dans le HL-LHC – huit près d'ATLAS et huit près de CMS.