Dans un effort pluriannuel impliquant trois laboratoires nationaux à travers les États-Unis, les chercheurs ont construit et testé avec succès un nouvel aimant puissant basé sur un matériau supraconducteur avancé. L'appareil de huit tonnes, à peu près aussi long qu'une semi-remorque, a établi un record pour la force de champ la plus élevée jamais enregistrée pour un aimant de focalisation d'accélérateur et élève la norme pour les aimants fonctionnant dans les collisionneurs de particules à haute énergie.

Le Fermilab du ministère de l'Énergie, Brookhaven National Laboratory et Lawrence Berkeley National Laboratory conçu, construit et testé le nouvel aimant, l'un des 16 qu'ils permettront d'exploiter dans le grand collisionneur de hadrons à haute luminosité du laboratoire du CERN en Europe. Les 16 aimants, ainsi que huit autres produits par le CERN, servira d'« optique » pour les particules chargées :elles concentreront des faisceaux de protons dans un minuscule, tache infinitésimale à l'approche de la collision à l'intérieur de deux détecteurs de particules différents.

L'ingrédient qui distingue ces aimants fabriqués aux États-Unis est le niobium-étain, un matériau supraconducteur qui produit de puissants champs magnétiques. Ce seront les premiers aimants quadripolaires niobium-étain à fonctionner dans un accélérateur de particules.

Comme le grand collisionneur de hadrons actuel, son successeur à haute luminosité écrasera des faisceaux de protons croisant autour de l'anneau de 17 milles à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Le HL-LHC offrira un coup de poing supplémentaire :il fournira 10 fois plus de collisions possibles au LHC actuel. Avec plus de collisions viennent plus d'opportunités de découvrir une nouvelle physique.

Et les nouveaux aimants de focalisation de la machine l'aideront à réaliser ce saut dans la luminosité fournie.

"Nous avons démontré que ce premier aimant quadripolaire se comporte avec succès et conformément à la conception, sur la base de l'effort de développement pluriannuel rendu possible par les investissements du DOE dans cette nouvelle technologie, " a déclaré Giorgio Apollinari, scientifique du Fermilab, chef du projet de mise à niveau des accélérateurs des États-Unis, qui dirige le projet d'aimant de focalisation basé aux États-Unis.

"C'est un aimant très avant-gardiste, vraiment à la pointe de la technologie des aimants, " a déclaré Kathleen Amm, scientifique du Laboratoire national de Brookhaven, le représentant de Brookhaven pour le projet de mise à niveau de l'accélérateur.

Ce qui fait son succès, c'est sa capacité impressionnante à se concentrer.

Se concentrer, aimants, se concentrer

Dans les collisionneurs circulaires, deux faisceaux de particules courent autour de l'anneau dans des directions opposées. Un instant avant d'atteindre le point de collision, chaque faisceau passe à travers une série d'aimants qui focalisent les faisceaux de particules dans un minuscule, tache infinitésimale, tout comme les lentilles focalisent les rayons lumineux sur un point. Maintenant emballés aussi étroitement avec des particules que les aimants peuvent les obtenir - écrasez ! - les faisceaux entrent en collision.

La fécondité scientifique de ce smash dépend de la densité du faisceau. Plus il y a de particules entassées dans le point de collision, plus le risque de collisions de particules est grand.

Vous obtenez ces faisceaux serrés en affinant la mise au point de l'aimant. Une façon de le faire est d'élargir l'objectif. Pensez à la lumière :

"Si vous essayez de focaliser la lumière du soleil à l'aide d'une loupe sur un petit point, vous voulez avoir une loupe plus 'puissante', " a déclaré Ian Pong, Scientifique de Berkeley Lab et l'un des responsables des comptes de contrôle.

Une loupe plus grande concentre davantage les rayons du soleil qu'une plus petite. Cependant, les rayons lumineux sur le bord extérieur de la lentille doivent être courbés plus fortement afin d'approcher le même point focal.

Ou considérez un groupe d'archers tirant des flèches sur une pomme :plus de flèches colleront si les archers tirent d'en haut, en dessous et de chaque côté de la pomme que s'ils étaient postés à un seul poste, tirer depuis la même position.

L'analogue de la taille de la loupe et du réseau d'archers est l'ouverture de l'aimant - l'ouverture du passage emprunté par le faisceau lorsqu'il traverse l'intérieur de l'aimant. Si le faisceau de particules est autorisé à démarrer large avant d'être focalisé, davantage de particules arriveront au point focal prévu, le centre du détecteur de particules.

L'équipe américaine a élargi l'ouverture de l'aimant de focalisation du LHC à 150 millimètres, plus du double de l'ouverture actuelle de 70 millimètres.

Mais bien sûr, une ouverture plus large ne suffit pas. Reste la question de la focalisation effective du faisceau, ce qui signifie forcer un changement radical dans la taille du faisceau, de large à étroit, au moment où le faisceau atteint le point de collision. Et cela nécessite un aimant exceptionnellement puissant.

"L'aimant doit presser le faisceau plus puissamment que les aimants actuels du LHC afin de créer la luminosité nécessaire au HL-LHC, " a déclaré Apollinaire.

Pour répondre à la demande, les scientifiques ont conçu et construit un aimant de focalisation musculaire, calculer cela, à l'ouverture requise, il devrait générer un champ dépassant 11,4 teslas. Cela représente une augmentation par rapport au champ actuel de 7,5 teslas généré par les aimants quadripolaires du LHC à base de niobium-titane. (Pour les experts des accélérateurs :l'objectif de luminosité intégrée du HL-LHC est de 3, 000 femtobarns inverses.)

En janvier, le premier aimant de focalisation HL-LHC de l'équipe de trois laboratoires a fourni des performances supérieures à l'objectif, atteindre un champ de 11,5 teslas et fonctionner en continu à cette force pendant cinq heures consécutives, tout comme il fonctionnerait au démarrage du LHC à haute luminosité en 2027.

"Ces aimants sont actuellement les aimants de focalisation à champ le plus élevé dans les accélérateurs tels qu'ils existent aujourd'hui, " Amm a dit. " Nous poussons vraiment vers des champs plus élevés, ce qui nous permet d'atteindre des luminosités plus élevées."

Le nouvel aimant de focalisation était un triomphe, grâce au niobium-étain.

Niobium-étain pour la victoire

Les aimants de focalisation du LHC actuel sont en niobium-titane, dont la limite de performance intrinsèque est généralement reconnue pour avoir été atteinte à 8 à 9 teslas dans les applications d'accélérateur.

Le HL-LHC aura besoin d'aimants d'environ 12 teslas, environ 250, 000 fois plus fort que le champ magnétique terrestre à sa surface.

« Alors, que faites-vous ? Vous devez vous adresser à un autre chef d'orchestre, " a déclaré Apollinaire.

Les experts en aimants accélérateurs expérimentent le niobium-étain depuis des décennies. Le courant électrique traversant un supraconducteur niobium-étain peut générer des champs magnétiques de 12 teslas et plus, mais seulement si le niobium et l'étain, une fois mélangé et traité thermiquement pour devenir supraconducteur, peut rester intact.

"Une fois qu'ils ont réagi, il devient un beau supraconducteur qui peut transporter beaucoup de courant, mais alors il devient aussi cassant, " a déclaré Apollinaire.

Célèbre cassant

"Si vous le pliez trop, même un peu, une fois qu'il s'agit d'un matériau ayant réagi, ça sonne comme des corn flakes, " Amm a dit. "Vous l'entendez réellement se briser."

Au cours des années, des scientifiques et des ingénieurs ont découvert comment produire un supraconducteur niobium-étain sous une forme utile. Garantir qu'il tiendrait le rôle d'étoile d'un aimant de focalisation du HL-LHC était un tout autre défi.

Berkeley, Les experts de Brookhaven et de Fermilab y sont parvenus. Leur processus d'assemblage est délicat, impliquait une opération d'équilibrage de la fragilité du niobium-étain contre les changements massifs de température et de pression qu'il subit alors qu'il devient l'acteur principal d'un futur aimant de collisionneur.

Le processus commence avec des fils contenant des filaments de niobium entourant un noyau d'étain, fournis par un fabricant extérieur. Les fils sont ensuite transformés en câbles à Berkeley de la bonne manière. Les équipes de Brookhaven et Fermilab enroulent ensuite ces câbles en bobines, attention à ne pas les déformer excessivement. Ils chauffent les serpentins dans un four en trois étapes de température, un traitement qui prend plus d'une semaine. Pendant le traitement thermique, l'étain réagit avec les filaments pour former le niobium-étain cassant.

Ayant réagi dans le four, le niobium-étain est aujourd'hui le plus fragile, il est donc manipulé avec soin pendant que l'équipe le soigne, l'enrober dans une résine pour devenir un solide, bobine forte.

Cette bobine est maintenant prête à servir d'un des quatre pôles de l'aimant de focalisation. Le processus prend plusieurs mois pour chaque pôle avant que l'aimant complet puisse être assemblé.

"Parce que ces bobines sont très puissantes lorsqu'elles sont sous tension, il y a beaucoup de force pour essayer de séparer l'aimant, " dit Pong. " Même si l'aimant ne se déforme pas, au niveau du conducteur il y aura une contrainte, auquel les performances du niobium-étain sont très sensibles. La gestion du stress est très, très important pour ces aimants à champ élevé."

Le traitement thermique des bobines magnétiques, l'une des étapes intermédiaires de l'assemblage de l'aimant, est également une science subtile. Chacune des quatre bobines d'un aimant de focalisation HL-LHC pèse environ une tonne et doit être traitée thermiquement uniformément, à l'intérieur comme à l'extérieur.

"Il faut bien contrôler la température. Sinon la réaction ne nous donnera pas les meilleures performances, " dit Pong. " C'est un peu comme cuisiner. Il ne s'agit pas seulement d'atteindre la température dans une partie de la bobine mais dans toute la bobine, de bout en bout, de haut en bas, le tout."

Et les quatre bobines doivent être alignées précisément les unes avec les autres.

"Il faut une très grande précision de terrain, nous devons donc avoir une très grande précision dans la façon dont ils les alignent pour obtenir une bonne uniformité du champ magnétique, un bon champ quadripolaire, " dit Amm.

L'ingénierie fine qui entre dans les aimants américains du HL-LHC s'est affinée au fil des décennies, avec une récompense qui dynamise la communauté des accélérateurs de particules.

"Ce sera la première utilisation du niobium-étain dans les aimants de focalisation des accélérateurs, ce sera donc assez excitant de voir une technologie aussi complexe et sophistiquée être implémentée dans une vraie machine, " dit Amm.

"Nous portions toujours le poids de la responsabilité, l'espoir dans les 10 derniers, 20 ans et si vous voulez aller plus loin, 30, 40 ans—en se concentrant sur ces aimants, sur le développement des chefs d'orchestre, tout le travail, " dit Pong. " Enfin, nous y arrivons, et nous voulons vraiment nous assurer que ce soit un succès durable."

Les nombreuses parties mobiles d'une collaboration d'accélérateur

Assurer un succès durable a autant à voir avec la chorégraphie opérationnelle qu'avec l'ingénierie exquise. Mener une logistique qui s'étend sur des années et sur un continent nécessite une coordination minutieuse.

"La planification et l'ordonnancement sont très importants, et ils sont assez difficiles, " dit Pong. " Par exemple, transport communication :nous devons nous assurer que les choses sont bien protégées. Sinon, ces articles coûteux peuvent être endommagés, nous devons donc prévoir les problèmes et les prévenir. Les retards ont également un impact sur l'ensemble du projet, nous devons donc nous assurer que les composants sont expédiés à destination dans les délais impartis."

Amm, Apollinari et Pong reconnaissent que l'équipe de trois laboratoires a relevé les défis avec compétence, fonctionnant comme une machine bien huilée.

« Les technologies développées au Fermilab, Brookhaven et Berkeley ont contribué au succès du LHC original. Et maintenant encore, ces technologies venues des États-Unis aident vraiment le CERN à réussir, " Amm a dit. " C'est une équipe de rêve, et c'est un honneur d'en faire partie."

Le projet de mise à niveau de l'accélérateur basé aux États-Unis pour le HL-LHC, dont le projet d'aimant de focalisation est d'une seule pièce, lancé en 2016, issu d'un programme de R&D antérieur en 2003 qui se concentrait sur des projets technologiques d'accélérateurs similaires.

D'ici 2025 environ, les laboratoires américains continueront de construire le grand tubes énormes, à commencer par de fins brins de niobium et d'étain. Ils prévoient de commencer à livrer en 2022 le premier des 16 aimants, plus quatre pièces de rechange, au CERN. L'installation se déroulera au cours des trois années suivantes.

"Les gens disent que 'toucher' est un très beau mot pour décrire l'atterrissage d'un avion, parce que vous avez un énorme objet métallique pesant des centaines de tonnes, descendant du ciel, toucher très doucement une piste en béton, " dit Pong. " Ces aimants ne sont pas très différents de ça. Nos aimants sont des dispositifs supraconducteurs massifs, focalisant de minuscules faisceaux de particules invisibles qui volent près de la vitesse de la lumière à travers le trou. C'est assez magique."

La magie commence en 2027, lorsque le LHC à haute luminosité sera opérationnel.

"Nous faisons aujourd'hui le travail que les futurs jeunes chercheurs utiliseront dans 10 ou 20 ans pour repousser les frontières de la connaissance humaine, comme c'est arrivé quand j'étais jeune chercheur ici au Fermilab, en utilisant le Tevatron, " Apollinari a déclaré. "C'est un passage de témoin générationnel. Nous devons fabriquer les machines pour les générations futures, et avec cette technologie, évidemment, ce que nous pouvons permettre à la génération future est beaucoup. »