Détecteurs : des aimants supraconducteurs uniques

Le gigantesque aimant toroïdal supraconducteur d’ATLAS pendant son installation. Chacune des huit bobines, dont la dernière est en cours d’assemblage sur la photo, mesure 25 mètres de long (Image: ATLAS/CERN)

Avant même que les accélérateurs de particules ne les utilisent à grande échelle, les aimants supraconducteurs avaient été adoptés pour équiper les détecteurs analysant les collisions. Le champ magnétique est crucial pour identifier les particules issues des collisions : il dévie leur trajectoire, permettant de connaître le signe de leur charge et de calculer leur impulsion. La résolution est d’autant meilleure que le champ est intense et que le volume du détecteur sur lequel il agit est important.

Dès les années 1960, les physiciens entrevoient l’intérêt des aimants supraconducteurs pour la détection. Au début des années 1970, des expériences aux États-Unis et au CERN développent de grands aimants supraconducteurs, générant des champs jusqu’à 3,5 teslas. Ces développements sont d’autant plus audacieux que la technologie est encore balbutiante. Mais contrairement aux aimants pour les accélérateurs, qui doivent être réalisés en plusieurs dizaines d’exemplaires, les aimants des détecteurs sont uniques.

L’un de ces détecteurs précurseurs est la grande chambre à bulles européenne (BEBC) du CERN, mise en service en 1973, dont l’aimant supraconducteur génère un champ de 3,5 teslas. L’énergie stockée atteignait 800 mégajoules, une performance qui ne sera surpassée qu’à la fin des années 1990.

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La bobine supraconductrice de CMS lors de son insertion dans son cryostat. Il s'agit du plus grand aimant solénoïde supraconducteur jamais construit. (Image: Maximilien Brice/CERN)

Dans les années 1980, d’importants progrès sont réalisés pour rendre les aimants plus performants et « transparents », afin qu’ils n’interagissent pas avec les particules au risque d’altérer leur identification. Des aimants de plus en plus grands sont construits. Ces travaux aboutissent dans les années 2000 aux gigantesques aimants supraconducteurs des expériences du Grand collisionneur de hadrons  CMS et ATLAS, des monuments de technologie. Le premier est un solénoïde aux dimensions exceptionnelles, générant un champ de 4 teslas et capable de stocker 2,7 gigajoules, une quantité d'énergie suffisante pour faire fondre 18 tonnes d'or. Le second est un gigantesque aimant toroïdal tout à fait original, formé de huit bobines supraconductrices, générant également un champ magnétique de 4 teslas, et entourant un aimant solénoïde plus petit.

La prochaine génération d’aimants supraconducteurs pour les détecteurs, plus grands et plus puissants encore, se prépare dans le sillage des grands projets d’accélérateurs, au CERN ou ailleurs.

Ce texte est plublié à l'occasion de la conférence EUCAS 2017 sur les supraconducteurs et leurs applications. Il est basé sur l’article « Unique magnets » paru dans le numéro du CERN Courier du mois de septembre.