Chasser les nuages dans le LHC

Simulation du flux d’électrons généré par le passage du faisceau dans un tube de faisceau du LHC. Les lignes représentent les flux ; les couleurs représentent la densité d’électrons. Plus la densité est grande, plus les couleurs sont vives.

C’est le grand nettoyage d’été dans le Grand collisionneur de hadrons LHC.  N’imaginez pas les opérateurs armés de plumeaux, chassant les poussières sur les 27 kilomètres de l’accélérateur. Les tubes dans lesquels circulent les faisceaux sont déjà ultra propres et ultra vides. La pression dans les tubes de faisceau s’élève à 10-10 voire 10-11 millibars, similaire à celle à la surface de la Lune.

En revanche, même si le vide est très poussé, des molécules résiduelles de gaz restent piégées sur les parois des tubes de faisceau qui contiennent de surcroît des électrons. Lorsque le faisceau circule, les parois émettent ces électrons qui sont accélérés par le champ électrique généré par le faisceau. Ces électrons accélérés frappent à leur tour les parois avec suffisamment d’énergie pour arracher les molécules piégées, dégradant le vide. Ils déclenchent en même temps une avalanche d’électrons supplémentaires. Il se forme alors des nuages d’électrons qui peuvent être suffisamment denses pour déstabiliser le faisceau. Le phénomène de nuages d’électrons est d’autant plus important que les paquets de protons qui forment les faisceaux sont nombreux et rapprochés.

Pour exploiter le LHC avec plus de paquets, les opérateurs doivent donc d’abord dissiper les nuages d’électrons. Pour y parvenir, ils ont mis au point une technique de nettoyage avec le faisceau. Elle consiste à faire circuler suffisamment de protons pour libérer le plus possible de molécules de gaz piégées dans le métal et réduire le taux de production d’électrons sur la paroi du tube.

Les opérateurs font donc circuler des faisceaux intenses (beaucoup de paquets) mais à des énergies faibles pour améliorer les caractéristiques de surface des tubes. Au terme de plusieurs jours à ce régime, le LHC sera prêt pour augmenter l’intensité des faisceaux pour la physique. L’exploitation redémarrera alors avec des paquets espacés de 50 nanosecondes. Le nombre de paquets augmentera progressivement  pour atteindre 1000 paquets par faisceau. Une autre période de nettoyage est prévue durant l’été pour préparer le LHC à fonctionner plus tard dans l’année avec des paquets plus nombreux et plus proches encore.