L'accélérateur linéaire 4 (Linac4) est conçu pour porter des ions d’hydrogène négatifs à des énergies élevées. Il est devenu la source de faisceaux de protons du Grand collisionneur de hadrons (LHC) en 2020.
Le Linac4 porte des ions d'hydrogène négatifs (ions H-, soit un atome d'hydrogène et un électron supplémentaire) à l’énergie de 160 MeV avant de les transmettre vers le Booster du Synchrotron à protons, qui fait partie de la chaîne d’injection du LHC. Les ions d’hydrogène négatifs sont pulsés à travers l’accélérateur par tranche de 400 microsecondes.
Les accélérateurs linéaires emploient des cavités radiofréquence pour charger des conducteurs cylindriques. Les ions franchissent les conducteurs, qui oscillent entre charge positive et charge négative. Les conducteurs exercent ainsi alternativement une répulsion et une attraction sur les particules, provoquant leur accélération. Des aimants quadripôles resserrent le faisceau.
Le Linac4 est composé d’une source d’ions H- et de quatre types de structures accélératrices : les particules sont accélérées successivement à 3 MeV par un quadripôle radiofréquence (RFQ), à 50 MeV par des linacs à tube de glissement (DTL), puis à 100 MeV par des linacs à tube de glissement à cavités couplées (CCDTL), et enfin à 160 MeV par des structures en mode PI (PIMS). Le Linac4 comporte également un équipement dénommé ligne Chopper : son rôle est de découper le faisceau à la même fréquence que celle du Booster du PS.
Au moment de leur injection du Linac4 dans le Booster du Synchrotron à protons, les ions sont débarrassés de leurs deux électrons, de sorte que ne subsistent que les protons. Ce procédé permet d’accumuler davantage de particules dans le synchrotron, de simplifier l’injection, de réduire les pertes de faisceau lors de l’injection et d'obtenir un faisceau plus brillant.
Le Linac4 mesure 86 mètres de long et est situé à 12 mètres sous terre. La production des premiers faisceaux a commencé en 2013. L'énergie de 160 MeV a été atteinte en 2016, après la mise en service de toutes les structures accélératrices. Durant le long arrêt du LHC de 2019-2020, le Linac4 a remplacé le Linac2, qui accélérait jusque-là les protons jusqu’à 50 MeV. Le Linac4 est un élément clé du projet visant à relever la luminosité du LHC au cours de la prochaine décennie.
