Un nouvel anneau pour ralentir l’antimatière

Des membres du projet ELENA au milieu du tout nouvel anneau de 30 mètres de circonférence. (Photo : Sophia Bennett/CERN)

Avec ses 30 mètres de circonférence, on dirait un accélérateur miniature. Mais ne vous y trompez pas, ELENA a tous les éléments d’un grand. Ce tout nouveau décélérateur destiné aux expériences sur l’antimatière a commencé ses tests avec faisceau mi novembre. Un premier faisceau a fait le tour de l’anneau le 18 novembre après 5 ans de développement. « La mise en route de la machine avec faisceau est une phase intéressante et cruciale pour le projet. Les semaines à venir montreront si tout fonctionne comme prévu », souligne Christian Carli, le chef du projet ELENA.

Le nouvel anneau de décélération ELENA (Extra Low ENergy Antiproton) va être couplé au Décélérateur d’antiprotons (AD) dès l’année prochaine. L’AD fournit aux expériences sur l’antimatière des antiprotons à 5,3 MeV, la plus basse énergie possible avec cette machine de 182 mètres de circonférence. Or, plus les antiprotons sont lents (autrement dit moins ils ont d’énergie), plus il est facile pour les expériences de les étudier ou de les manipuler pour fabriquer par exemple des atomes d’antihydrogène. ELENA va réduire l’énergie des antiprotons issus de l’AD d’un facteur 50, de 5,3 à seulement 0,1 MeV. La densité des faisceaux sera par ailleurs améliorée. Le nombre d’antiprotons pouvant être piégés sera accru d’un facteur 10 à 100, améliorant l’efficacité des expériences et ouvrant la voie à de nouvelles expériences.

Pour ralentir les particules, il faut grosso modo les mêmes outils que pour les accélérer. Ainsi ELENA est doté d’une cavité radiofréquence pour ralentir les paquets d’antiprotons, d’aimants dipôles pour les maintenir sur une trajectoire circulaire et d’aimants focalisant pour les resserrer et éviter la dispersion des particules. Mais à basse énergie et à basse intensité, d’autres difficultés émergent. « Le faisceau est beaucoup plus sensible aux perturbations extérieures comme le champ magnétique terrestre, par exemple, qui modifie son orbite », explique François Butin, coordinateur technique et responsable de l’installation.

Pour atténuer ces effets, les concepteurs d’ELENA ont joué sur de nombreux paramètres techniques. Les aimants ont fait l’objet d’études poussées. En effet, à ces basses énergies, les champs magnétiques sont nécessairement faibles. L‘hystérèse du fer de l’aimant (autrement dit le champ magnétique résiduel) peut compromettre la qualité du champ. ELENA est donc doté d’aimants optimisés pour fonctionner à des niveaux de champ très faible.

ELENA
Des membres du projet ELENA installent les composants du nouveau décélérateur en septembre 2016. (Image: Maximilien Brice/CERN)

La circonférence de l’anneau a fait l’objet d’un compromis entre différentes contraintes. Il devait être petit pour que les champs magnétiques soient plus intenses afin d’atténuer les effets des perturbations extérieures. Mais la circonférence devait être assez grande pour loger tous les éléments nécessaires. « La petite taille de l’anneau nous a obligés à faire preuve de beaucoup d’ingéniosité et de précision pour caser tous les composants », indique François Butin.

Un autre élément essentiel du décélérateur sera le système de refroidissement par électrons. Quand on accélère un faisceau, sa taille transverse tend à diminuer, mais quand on le décélère, elle augmente. Le refroidissement par électrons permet de contrecarrer cet effet en concentrant les paquets de particules. Le principe consiste à transférer l’énergie transverse des antiprotons à des électrons. Le système de refroidissement par électrons, en cours de finalisation au Royaume-Uni, sera livré début 2017.

Vidéo accélérée de l'installation des composants de l'anneau de décélération ELENA. (Video: Noemi Caraban/CERN)

D’autres défis ont dû être relevés, comme la mise au point d’une instrumentation de faisceau à faible intensité et faible énergie. Le système de vide est également très performant, avec des pressions plus basses que dans le LHC, de l’ordre de 10-12 millibars. 

Les équipes chargées de la mise en service vont poursuivre les tests avec faisceau. En parallèle, GBAR, la première expérience qui sera reliée à ELENA, est en cours d’assemblage. GBAR étudiera l’effet de la gravitation sur l’antimatière à l’instar d’AEGIS et bientôt également d’ALPHA. Les expériences existantes de l’AD seront connectées durant le deuxième long arrêt technique des accélérateurs du CERN, en 2019-2020. ELENA pourra alimenter quatre expériences en parallèle.

Pour plus d’informations, lire l’article du CERN Courier.

Vue à 360°C de l’anneau de décélération ELENA de 30 mètres de circonférence (Image: Maximilien Brice/ CERN)