Lors de l'entraînement pour un marathon, les coureurs doivent progressivement augmenter la distance de leurs courses. Ils savent que leurs courses au début de l'entraînement ne définissent pas ce dont ils seront un jour capables; ils construisent une base solide qui les aidera à atteindre leur plein potentiel.

Les aimants de la longueur d'une voiture qui dirigent les particules autour du grand collisionneur de hadrons subissent un processus similaire. Les scientifiques doivent les pousser dans leurs retranchements, à maintes reprises, jusqu'à ce qu'ils puissent gérer d'énormes quantités de courant électrique.

"Ces aimants sont de grandes merveilles d'ingénierie, " dit la scientifique Kathleen Amm, directeur de la division Magnet du Brookhaven National Laboratory du département américain de l'Énergie à New York. "Mais une chose que nous ne pouvons pas faire est de les mettre directement dans un accélérateur. Ils doivent être formés."

Scientifiques, ingénieurs et techniciens de Brookhaven forment maintenant des aimants pour une tâche encore plus difficile :diriger et focaliser des particules dans un accélérateur de nouvelle génération, le LHC à haute luminosité mis sous tension au CERN. Heureusement, ces aimants peuvent non seulement résister à l'entraînement, mais aussi gagner la capacité de transporter encore plus de courant qu'auparavant.

Résister aux éclairs

En utilisant un nouveau type de fil supraconducteur à base de niobium-3-étain, Nb3Sn, les aimants de l'accélérateur HL-LHC seront capables de conduire environ 40 % de courant électrique en plus que l'itération précédente des aimants pour le LHC. Chacun portera environ 16, 500 ampères, à peu près autant qu'un petit éclair. L'ordinateur portable moyen, pour référence, utilise moins de 5 ampères.

Les aimants du LHC sont fabriqués à partir de matériaux différents de ceux utilisés pour fabriquer un ordinateur portable d'une manière importante :ils sont supraconducteurs. Cela signifie qu'ils peuvent transporter un courant électrique sans perdre d'énergie. Ils ne produisent pas de chaleur car ils n'ont aucune résistance électrique.

Mais il y a un hic :l'ancien et le nouveau aimant du LHC n'obtiennent la propriété de supraconductivité que lorsqu'ils sont refroidis à des températures extrêmement basses. A l'intérieur du LHC, ils sont maintenus à 1,9 kelvin (moins 456,25 Fahrenheit), juste au-dessus du zéro absolu.

Même cela ne suffit pas toujours :une petite imperfection peut faire perdre soudainement à un aimant ses propriétés supraconductrices dans un processus appelé trempe.

"Une trempe signifie qu'une partie du supraconducteur redevient normale, " dit le scientifique Sandor Feher, qui supervise les essais et la formation des aimants du HL-LHC. « Sa température commence à monter, et cette chaleur se propage à d'autres parties de l'aimant."

Une trempe peut être ruineuse. "Quand un supraconducteur perd ses propriétés supraconductrices, il passe d'une résistance électrique nulle à une résistance électrique très élevée, " Amm dit. " Dans les premiers jours [du développement des supraconducteurs], les aimants seraient grillés à cause de cette transition rapide."

Mais cette surchauffe n'est pas toujours synonyme de catastrophe. Pendant la formation magnétique, les trempes contrôlées induisent des changements structurels utiles au niveau microscopique qui améliorent les performances d'un aimant.

L'anatomie d'un aimant

Quand il avait 12 ans, Martel Walls a remporté un concours d'art local avec un dessin détaillé et réaliste d'un palais de justice à Bloomington, Illinois. "Mon dessin s'est retrouvé à l'intérieur du palais de justice, " dit-il. " Depuis lors, Je savais que je voulais travailler dans un domaine qui tirerait parti de mon sens du détail et de ma main ferme."

L'œil de Walls pour les formes complexes l'a finalement conduit à son poste de technicien principal en charge du développement des bobines magnétiques au Fermi National Accelerator Laboratory dans l'Illinois, où les équipes produisent et testent des aimants à destination du HL-LHC.

Les aimants que Walls et son équipe assemblent consistent en 450 mètres (environ 1480 pieds) de câble supraconducteur Nb3Sn enroulé autour de deux structures de support imbriquées. Les bobines mesurent environ 4,5 mètres (presque 15 pieds) de longueur. Chaque centimètre de câble est inspecté avant et pendant le processus d'enroulement.

Les serpentins sont ensuite chauffés jusqu'à 665 degrés Celsius (1229 degrés Fahrenheit) sur un cycle thermique de 11 jours; un procédé qui transforme le câble ordinaire niobium-étain en supraconducteur, mais le rend aussi incroyablement cassant. "Il devient aussi fragile que des spaghettis crus, ", dit Murs.

En les manipulant le plus doucement possible, les techniciens soudent plus de composants sur les bobines avant de les tremper dans de l'époxy. Les bobines finales sont expédiées au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, où plusieurs bobines sont assemblées puis enveloppées dans un boîtier en acier solide. Ils sont ensuite expédiés à Brookhaven pour commencer leur programme d'entraînement.

Lorsque l'équipe de test de Brookhaven connecte les aimants à l'électricité, les bobines se poussent et tirent les unes sur les autres avec des forces énormes en raison des champs magnétiques élevés.

Même un petit mouvement de l'ordre de seulement 10 à 20 microns, soit environ la largeur d'un cheveu humain, peut suffire à générer une trempe.

Régime de formation

Tôt, les ingénieurs ont réalisé qu'un aimant bien construit pouvait se souvenir de ces mouvements microscopiques. Lorsqu'un composant instable se déplace dans une position plus confortable, le composant reste alors normalement en place. Le résultat est un aimant qui est plus robuste la prochaine fois qu'il s'allume.

Pendant la formation, les scientifiques et les ingénieurs augmentent progressivement le courant électrique circulant dans l'aimant. Si une partie de l'aimant va bouger ou libérer de l'énergie, il le fait dans un laboratoire contrôlé plutôt que dans un complexe d'accélérateurs souterrains difficiles d'accès.

L'entraînement à l'aimant à Brookhaven commence par l'immersion de l'aimant dans un bain d'hélium liquide. Une fois refroidi, l'équipe de test introduit et augmente progressivement le courant électrique.

Dès qu'il y a une trempe, l'électricité est automatiquement détournée de l'aimant. Le bain d'hélium liquide s'évapore, emportant avec elle la chaleur de la trempe. Après chaque trempe, l'hélium est récupéré pour être réutilisé, et le processus recommence.

"Notre objectif est de trois quenchs par aimant par jour, " Feher dit. "Nous commençons vers 5 ou 6 heures du matin et travaillons par équipes jusqu'à 6 ou 7 heures du soir."

Petit à petit, l'équipe de test de Brookhaven expose l'aimant à des courants de plus en plus élevés.

"Pendant la R&D des aimants, nous pourrions voir 50 à 60 trempes, " Amm dit. " Quand nous entrons en production, le but est de voir un minimum de quenchs, vers 14 ou 15, avant d'atteindre le niveau de terrain souhaité."

Une fois la formation terminée, c'est-à-dire l'aimant peut fonctionner au courant souhaité sans extinction - il est renvoyé au laboratoire Fermi pour un équipement et des tests supplémentaires. Les aimants finaux seront ensuite expédiés au CERN.

Selon Amm, conception, construire et préparer des aimants pour la mise à niveau du LHC est plus que de la physique appliquée :c'est une forme d'artisanat.

"C'est là que l'art entre en jeu avec la science, " dit-elle. " Vous pouvez faire tellement de science et d'ingénierie, mais en fin de compte, vous devez construire et tester de nombreux aimants avant de comprendre le point idéal."