Pourquoi 13 TeV ?

La reprise de l’exploitation du Grand collisionneur de hadrons (LHC) est prévue pour début 2015, après deux ans d’interruption pour travaux de maintenance et d’amélioration. L’énergie de collision au redémarrage sera de 13 TeV, une augmentation considérable par rapport aux trois premières années d'exploitation du LHC (7 Tev au départ, 8 TeV par la suite). Le LHC a pourtant été conçu pour fonctionner à une énergie de collision maximale de 14 TeV. Pourquoi le CERN a-t-il décidé de commencer cette deuxième phase d’exploitation à une énergie plus basse ?

La décision de démarrer la deuxième phase du LHC à 13 TeV a été prise dans le but d’optimiser le nombre de collisions de particules, et d’ouvrir ainsi la porte à une nouvelle physique. Elle s’explique par les propriétés des 1 232 dipôles supraconducteurs qui guident les faisceaux du LHC le long des 27 km de l’accélérateur. Plus l’énergie du faisceau est grande, plus le champ magnétique nécessaire pour maintenir une orbite constante est conséquent, et plus le courant électrique qui passe dans les bobines supraconductrices des aimants doit être élevé.

Les courants électriques au LHC sont extrêmement élevés (jusqu’à 12 000 ampères) et il est indispensable d'utiliser des câbles supraconducteurs. La supraconductivité est un phénomène qui se produit à basse température, les bobines doivent donc être maintenues à une température très basse, à exactement 1,9 degré au-dessus du zéro absolu, soit environ -271 degrés Celsius. La plus infime quantité d’énergie dégagée dans l’aimant, quelle que soit son origine, suffit à réchauffer les bobines qui dès lors ne sont plus supraconductrices. Lorsque cela se produit, le courant doit être extrait très rapidement et en toute sécurité. Ce phénomène s'appelle une transition résistive ou « quench » et il suffit d’un millijoule – l’énergie libérée par une pièce d’un centime d’euro tombant de 5 cm – pour qu’il se produise. La protection des aimants contre les transitions résistives est un paramètre essentiel de la conception du système magnétique du LHC.  

Lorsqu’un nouvel aimant supraconducteur est prêt à être utilisé, il doit d’abord subir un entraînement. Ce procédé, qu’il faut répéter de nombreuses fois, consiste à augmenter progressivement le courant jusqu’à ce que des transitions résistives se déclenchent. Au début, les transitions résistives peuvent se produire à un courant relativement faible, mais au fil du temps, les éléments de l’aimant deviennent de plus en plus performants et l’intensité du courant peut être augmentée jusqu’à ce que l’aimant puisse fonctionner couramment à son intensité nominale. Si un nouveau cycle d’entraînement commence alors que l'aimant a été « chaud » pendant une période prolongée, les transitions résistives se produiront au départ à une valeur plus élevée que celle de la première transition résistive du premier cycle d’entraînement, mais à une valeur plus basse que le maximum atteint précédemment. En d’autres termes, la « mémoire » de l’aimant est généralement inférieure à 100 %.

Avant le début du fonctionnement du LHC, tous ses aimants ont été entraînés avec une intensité électrique correspondant à des collisions à plus de 14 TeV. Des essais effectués sur les aimants et les essais de mise en service du matériel réalisés en 2008 ont montré que certains dipôles ont une mémoire légèrement inférieure à ce qui était prévu, ce qui veut dire qu’ils auraient besoin de plus de transitions résistives avant de pouvoir supporter l’intensité nominale. Par contre, entraîner à nouveau ces aimants en vue d’une énergie de 13 TeV ne demanderait pas beaucoup de temps, alors que l’entraînement en vue de collisions à 14 TeV serait plus long, et cette période de préparation ne pourrait pas être mise à profit de la recherche en physique. C’est pourquoi le meilleur moyen d’obtenir de nouveaux résultats rapidement est commencer l’exploitation à 13 TeV, une intensité beaucoup plus élevée qu’auparavant. La date de passage à une énergie plus élevée  sera décidée plus tard, au cours de la deuxième période d’exploitation du LHC. 

View in English

Dernières nouvelles : Ingénierie