L’union fait la force : les aimants supraconducteurs

Le système magnétique du détecteur ATLAS comprend huit énormes aimants supraconducteurs (tubes gris) disposés dans un tore autour du tube de faisceau du LHC (Image: CERN)

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) fonctionne actuellement à une énergie de 6,5 TeV par faisceau. À cette énergie, les milliers de milliards de particules parcourent les 27 km de tunnel du collisionneur 11 245 fois par seconde. Avant d’atteindre le LHC, les particules sont accélérées dans une série d’accélérateurs linéaires et circulaires reliés entre eux. Dès qu’elles atteignent l’énergie maximale produite par l’un de ces accélérateurs, elles sont injectées dans l’accélérateur suivant. Laissées à elles-mêmes, les particules se disperseraient et poursuivraient leur trajectoire en ligne droite. Ainsi, 50 aimants différents sont nécessaires pour les maintenir le long de trajectoires complexes, sans perte d’énergie.

Tous les aimants du LHC sont des électro-aimants. Les dipôles principaux génèrent de puissants champs magnétiques de 8,3 teslas, c’est-à-dire 100 000 fois plus que le champ magnétique de la Terre. Les électro-aimants produisent ce champ magnétique grâce à un courant de 11 080 ampères, et le matériau supraconducteur permet aux courants de haute intensité de circuler sans perdre de l’énergie du fait de la résistance électrique.

Les aimants de la maille

Des milliers d’aimants constituant des « mailles » incurvent et resserrent la trajectoire des particules dans le LHC. Grâce à ces aimants, les faisceaux sont stables et alignés avec précision.

Les aimants dipôles, qui comptent parmi les éléments les plus complexes du LHC, servent à incurver la trajectoire des particules. Il y a 1232 dipôles principaux, chacun mesurant 15 mètres de longueur et pesant 35 tonnes. Si on avait utilisé des aimants ordinaires à la place d’aimants supraconducteurs, le LHC, qui mesure 27 km de longueur, aurait dû mesurer 120 km pour pouvoir atteindre la même énergie. De puissants champs magnétiques générés par les aimants dipôles permettent aux faisceaux de prendre les virages.

Lorsque les particules restent bien groupées, elles ont plus de chances d’entrer en collision une fois qu’elles atteignent les détecteurs. Les quadripôles permettent de resserrer le faisceau. Grâce à leurs quatre pôles magnétiques disposés symétriquement autour du tube de faisceau, les quadripôles peuvent comprimer le faisceau verticalement ou horizontalement.

Les dipôles sont aussi équipés d'aimants sextupolaires, octupolaires et décapolaires, qui corrigent les petites imperfections du champ magnétique aux extrémités des dipôles.

Les aimants d’insertion

Lorsque les faisceaux de particules pénètrent dans les détecteurs, les aimants d’insertion prennent le relais. Les particules doivent être une fois de plus focalisées avant de pénétrer dans un détecteur pour faciliter leur collision avec les particules venant dans le sens opposé. Trois quadripôles forment un système appelé « triplet interne ». Le LHC compte huit triplets internes, deux pour chacun des quatre grands détecteurs, ALICE, ATLAS, CMS et LHCb. Les triplets internes resserrent les faisceaux, les rendant 12,5 fois plus fins, leur largeur passant de 0,2 millimètres à 16 micromètres.

Après la collision des faisceaux, d'énormes aimants dans le détecteur facilitent les procédures de mesure des particules. Par exemple, les physiciens observent de quelle façon s’infléchit la trajectoire des particules chargées dans le champ magnétique pour déterminer leur identité. En effet, les particules chargées sont déviées par le champ magnétique du détecteur, et leur impulsion peut être alors calculée d’après leur trajectoire.

Après le point de collision, les faisceaux de particules sont à nouveau séparés par des dipôles, et d’autres aimants limitent leur dispersion. Lorsqu’il est temps de se débarrasser des particules, celles-ci sont extraites du LHC et acheminées en ligne droite jusqu’à l’absorbeur de faisceau. Rendus 100 000 moins intenses par un « aimant de dilution », les faisceaux viennent s’écraser contre un bloc en composite de béton et de graphite.

Les aimants d’insertion ont aussi pour fonction de « nettoyer » les faisceaux pour éviter que des particules égarées n’entrent en contact avec les pièces les plus sensibles du LHC.

 

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