Les ingénieurs et techniciens du Fermilab se tiennent à côté d'une bobine magnétique conçue pour le LHC à haute luminosité. Crédit :Reidar Hahn
Le projet de mise à niveau du grand accélérateur de collisionneur de hadrons des États-Unis est la collaboration dirigée par le laboratoire Fermi de laboratoires américains qui, en partenariat avec le CERN et une dizaine d'autres pays, travaille à la mise à niveau du grand collisionneur de hadrons. LHC AUP a commencé il y a un peu plus de deux ans et, le 11 février il a reçu des approbations clés, permettant au projet de passer à ses prochaines étapes.
Les projets du département américain de l'Énergie sont soumis à une série d'examens et d'approbations clés, appelées « décisions critiques » que chaque projet doit recevoir. Plus tôt ce mois-ci, l'AUP a obtenu l'approbation des décisions critiques 2 et 3b du DOE. Le CD-2 approuve la référence de performance—la portée, coût et calendrier—pour l'AUP. Afin de respecter cet horaire, CD-3b permet au projet de recevoir les fonds et l'approbation nécessaires pour acheter des matériaux de base et produire des modèles de conception finale de deux technologies d'ici la fin de 2019.
Le LHC, un accélérateur de particules de 17 milles de circonférence à la frontière franco-suisse, brise ensemble deux faisceaux de protons opposés pour produire d'autres particules. Les chercheurs utilisent les données des particules pour comprendre comment l'univers fonctionne à l'échelle subatomique.
Dans sa configuration actuelle, en moyenne, un étonnant milliard de collisions se produisent chaque seconde au LHC. Les nouvelles technologies développées pour le LHC multiplieront ce nombre par 10. Cette augmentation de la luminosité (le nombre d'interactions proton-proton par seconde) signifie que beaucoup plus de données seront disponibles pour les expériences au LHC. C'est aussi la raison du nouveau nom du collisionneur, le LHC à haute luminosité.
« La nécessité d'aller au-delà des performances déjà excellentes du LHC est à la base de la méthode scientifique, " a déclaré Giorgio Apollinaire, Scientifique du Fermilab et chef de projet HL-LHC AUP. "L'approbation et le soutien reçus pour cette contribution américaine au HL-LHC permettront à nos scientifiques de rester à la pointe de la recherche à la frontière de l'énergie."
Des physiciens et ingénieurs américains ont aidé à la recherche et au développement de deux technologies pour rendre cette mise à niveau possible. La première mise à niveau concerne les aimants qui focalisent les particules. Les nouveaux aimants reposent sur des conducteurs niobium-étain et peuvent exercer une force plus forte sur les particules que leurs prédécesseurs. En augmentant la force, les particules de chaque faisceau sont rapprochées les unes des autres, permettant plus d'interactions proton-proton aux points de collision.
La deuxième mise à niveau est un type spécial de cavité d'accélérateur. Les cavités sont des structures à l'intérieur des collisionneurs qui transmettent de l'énergie au faisceau de particules et les propulsent vers l'avant. Cette cavité spéciale, appelé cavité de crabe, est utilisé pour augmenter le chevauchement des deux faisceaux afin que davantage de protons aient une chance d'entrer en collision.
« Cette approbation est une reconnaissance de 15 ans de recherche et développement initiés par un programme de recherche américain et complétés par ce projet, " dit Giorgio Ambrosio, Scientifique du Fermilab et responsable AUP du HL-LHC pour les aimants.
Cette bobine magnétique en niobium-étain terminée générera un champ magnétique maximum de 12 tesla, environ 50 % de plus que les aimants niobium-titane actuellement dans le LHC. Crédit :Alfred Nobrega
Les aimants aident les particules à se déplacer
Les aimants supraconducteurs niobium-étain n'ont jamais été utilisés dans un accélérateur de particules à haute énergie comme le LHC. Ces nouveaux aimants généreront un champ magnétique maximum de 12 tesla, environ 50 % de plus que les aimants niobium-titane actuellement dans le LHC. En comparaison, le champ magnétique d'une IRM va de 0,5 à 3 tesla, et le champ magnétique terrestre n'est que de 50 millionièmes de tesla.
Il y a plusieurs étapes pour créer les bobines niobium-étain pour les aimants, et chacun apporte ses défis.
Chaque aimant aura quatre jeux de bobines, ce qui en fait un quadripôle. Ensemble, les bobines conduisent le courant électrique qui produit le champ magnétique de l'aimant. Afin de rendre le niobium-étain capable de produire un fort champ magnétique, les bobines doivent être cuites dans un four et transformées en supraconducteur. Le défi majeur avec le niobium-étain est que la phase supraconductrice est fragile. Semblable aux spaghettis non cuits, une petite pression peut le casser en deux si les bobines ne sont pas bien supportées. Par conséquent, les bobines doivent être manipulées avec délicatesse à partir de ce moment.
L'AUP demande 84 bobines, fabriqué en 21 aimants. Fermilab fabriquera 43 bobines, et le Brookhaven National Laboratory à New York en fabriquera 41 autres. Ceux-ci seront ensuite livrés au Lawrence Berkeley National Laboratory pour être transformés en aimants d'accélérateur. Les aimants seront envoyés à Brookhaven pour être testés avant d'être renvoyés au Fermilab. Vingt aimants réussis seront insérés dans 10 conteneurs, qui sont ensuite testés par Fermilab, et finalement expédié au CERN.
Avec approbation CD-2/3b, AUP s'attend à ce que le premier aimant soit assemblé en avril et testé d'ici juillet. Si tout va bien, cet aimant pourra être installé au CERN.
Des cavités de crabe pour plus de collisions
Les cavités accélèrent les particules à l'intérieur d'un collisionneur, en les poussant à des énergies plus élevées. Ils forment également les particules en paquets :au fur et à mesure que des protons individuels traversent la cavité, chacun est accéléré ou décéléré selon qu'il est inférieur ou supérieur à une énergie attendue. Ce processus trie essentiellement le faisceau en collections de protons, ou des grappes de particules.
Cette cavité accélératrice est un type connu sous le nom de « cavité de crabe ». Il est conçu pour maximiser les chances de collision entre deux faisceaux de particules opposés. Crédit :Paolo Berrutti
Le HL-LHC revisite la cavité typique avec ses cavités en crabe, qui tirent leur nom de la façon dont les paquets de particules semblent se déplacer après avoir traversé la cavité. Lorsqu'un bouquet sort de la cavité, il semble se déplacer latéralement, semblable à la marche d'un crabe. Ce mouvement latéral est en fait le résultat de la cavité du crabe faisant tourner les paquets de particules lors de leur passage.
Imaginez qu'un ballon de football soit en fait un groupe de particules. Typiquement, vous voulez lancer un ballon de football droit devant vous, avec l'extrémité pointue coupant l'air. Il en est de même pour les paquets de particules; ils traversent normalement un collisionneur comme un ballon de football. Supposons maintenant que vous vouliez vous assurer que votre ballon de football et un autre ballon de football entreraient en collision dans les airs. Plutôt que de le lancer tout droit, vous voudriez jeter le ballon sur le côté pour maximiser la taille de la cible et donc le risque de collision.
Bien sûr, tourner les grappes est plus dur que tourner un ballon de foot, comme chaque groupe n'est pas un seul, objet rigide.
Pour rendre la rotation possible, les cavités du crabe sont placées juste avant et après les points de collision sur deux des détecteurs de particules du LHC, appelé ATLAS et CMS. Un champ électrique alternatif traverse chaque cavité et "incline" le paquet de particules sur le côté. Pour faire ça, la partie avant du peloton reçoit un "coup de pied" d'un côté à l'entrée et, avant qu'il ne parte, la section arrière reçoit un "coup de pied" du côté opposé. Maintenant, le groupe de particules ressemble à un ballon de football sur le côté. Lorsque les deux grappes se rencontrent au point de collision, ils se chevauchent mieux, ce qui rend l'occurrence d'une collision de particules plus probable.
Après le point de collision, plus de cavités de crabe redressent les grappes restantes, afin qu'ils puissent voyager dans le reste du LHC sans provoquer d'interactions indésirables.
Avec approbation CD-2/3b, toutes les matières premières nécessaires à la construction des cavités peuvent être achetées. Deux prototypes de cavité de crabe sont attendus d'ici fin 2019. Une fois les prototypes certifiés, le projet demandera une nouvelle approbation pour la production de toutes les cavités destinées au tunnel du LHC.
Après d'autres tests, les cavités seront envoyées pour être « habillées » :placées dans une cuve de refroidissement. Une fois que les cavités habillées passent tous les critères d'acceptation, Le Fermilab expédiera les 10 cavités habillées au CERN.
"Il est facile d'oublier que ces avancées technologiques ne profitent pas qu'aux programmes d'accélération, " a déclaré Leonardo Ristori, Ingénieur Fermilab et responsable AUP HL-LHC pour les cavités de crabe. « La technologie des accélérateurs existait dans les premiers écrans de télévision et est actuellement utilisée dans les équipements médicaux comme les IRM. Nous ne pourrons peut-être pas prédire comment ces technologies apparaîtront dans la vie de tous les jours, mais nous savons que ce genre d'efforts se répercute dans tous les secteurs."
