Dernières nouvelles du LHC : le xénon en action

Une des collisions entre des noyaux de xénon enregistrée par le détecteur de CMS. (Image : CMS/CERN)

Une fois de plus, le LHC a révélé une facette inédite de son extraordinaire polyvalence. Jusqu’ici, des collisions ont eu lieu régulièrement entre des protons, entre des noyaux de plomb, et entre des protons et des noyaux de plomb. Jeudi passé, une nouvelle espèce a rejoint ce zoo de particules : pour la toute première fois, des noyaux de xénon (Xe) entièrement « épluchés » ont été injectés dans les deux tubes de faisceau, avant d’être accélérés et d’entrer en collision. Cette campagne spéciale de physique des ions lourds a été ajoutée au calendrier juste après un remplissage de haute intensité pour la physique des protons, et elle a été achevée en moins d’un jour. Les quatre expériences LHC ont enregistré des collisions Xe-Xe à une énergie dans le centre de masse de 5,44 TeV par paire de nucléons.

Dans le cadre du programme de physique à cible fixe de l’expérience NA61, le complexe d’injecteurs fournit actuellement au SPS des ions xénon. Il a ainsi été possible de produire des faisceaux de xénon et de les envoyer au LHC. Les collisions de xénon ne figuraient pas initialement dans le calendrier du LHC, mais les résultats de physique obtenus pendant l’exploitation pilote proton-plomb de 18 heures menée en 2012, qui a été extraordinairement fructueuse, ont incité les responsables du programme LHC à envisager une courte exploitation Xe-Xe, selon un mode de mise en œuvre accéléré. Il s’agissait là d’une occasion exceptionnelle car on ne disposera peut-être plus jamais de xénon (ni d’ailleurs de noyaux autres que ceux d’hydrogène et de plomb) dans la chaîne d’injecteurs. Les collisions de noyaux de xénon dans le LHC à une énergie de 2,72 TeV par nucléon représentent un potentiel important pour la nouvelle physique ; elles pourraient faire la lumière sur la dépendance à la taille du système des phénomènes observés dans le plasma quarks-gluons. Cette énergie est la plus élevée à laquelle des noyaux de ce type ont jamais été accélérés, et l’isotope du xénon utilisé, qui a un nombre de masse atomique A=129 et une charge Z=54, permet de sonder une région intermédiaire entre les faisceaux de noyaux de plomb (A=208, Z=82) et les faisceaux de protons (A=1, Z=1) du LHC.

Collisions entre des noyaux de xénon dans le détecteur d’ATLAS. (Image : ATLAS/CERN)

Pour le programme avec ions lourds mené cette année au complexe d’accélérateurs du CERN, la source d’ions connectée au Linac 3 a été modifiée de manière à produire des ions xénon. Une fois débarrassés de tous leurs électrons pendant leur parcours (Linac, puis LEIR et PS), les noyaux de xénon arrivent au SPS, où ils sont extraits à destination de la zone Nord ; la campagne durera huit semaines, à partir du 23 octobre. Pour qu’il soit possible d’injecter des faisceaux de xénon dans le LHC, il a été nécessaire de préparer de façon méticuleuse un cycle spécial du SPS, et également d’optimiser la qualité (émittance et intensité) du faisceau dans les injecteurs, afin d’atteindre une qualité suffisante pour un collisionneur. Afin de réduire le plus possible le temps de préparation pour cette campagne et de donner plus de temps aux expériences pour acquérir des données, on a utilisé la configuration actuelle du LHC pour la physique des protons, avec quelques légères modifications. La fréquence RF, la synchronisation entre le SPS et le LHC, les lignes de transfert et les aimants d’injection à déflexion rapide ont néanmoins tous dû être adaptés au nouveau faisceau. Le seul changement apporté à la configuration des collisions a été une réduction de l’angle de croisement dans le détecteur ALICE, afin de permettre aux neutrons de passer sans encombre jusqu’aux détecteurs à petit angle de son calorimètre à zéro degré (ZDC). 

Collisions entre des noyaux de xénon dans le détecteur de LHCb. (Image: LHCb/CERN)

Il a fallu environ quatre heures pour faire circuler le premier paquet d’ions xénon dans le LHC et optimiser les paramètres de faisceau. Le LHC a ensuite été rempli à raison de 20 paquets par faisceau, ce qui a permis d’obtenir 8 à 16 collisions par expérience. Il s’agissait du maximum permis, car le nombre total de particules par faisceau devait rester au-dessous de la « limite de sécurité des faisceaux », qui est de 3 × 1011 charges, pour des raisons de protection de la machine. Les étapes suivantes (accélération, compression et recherche de collisions) se sont déroulées sans heurt. Des cartographies de pertes de collimation ont été réalisées afin de garantir la sécurité de l’exploitation avec les nouveaux types de faisceaux (les ions lourds ayant des interactions beaucoup plus compliquées avec les collimateurs que les protons). Le premier remplissage a malheureusement été perdu juste au moment où les faisceaux ont été déclarés stables. Le LHC a alors été rempli à nouveau, et il a été décidé de saisir l’occasion d’accepter des paquets d’une intensité supérieure, correspondant à une luminosité plus élevée. Cette fois, le LHC a réussi à produire six heures de données de physique, pendant lesquelles ATLAS et CMS ont enregistré quelques µb-1 de luminosité intégrée. ALICE et LHCb ont enregistré considérablement moins de données, en raison de leurs paramètres de focalisation, fixés pour l’exploitation avec protons. À la fin de ce remplissage, des balayages ont été réalisés dans les expériences LHCb et CMS pour l’étalonnage de la luminosité, et le remplissage s’est terminé par quelques cartographies de pertes supplémentaires, destinées aux études sur la collimation.

À l’occasion de ces opérations, nous avons obtenu une grande quantité de données sur le comportement du LHC lui-même avec ce nouveau type de faisceau de particules. Cela nous permettra de tester des théories sur la manière dont les faisceaux évoluent, sur leurs interactions avec les collimateurs, et sur les phénomènes liés aux collisions ultra-périphériques pouvant avoir des répercussions sur la performance du collisionneur.

Après ce remplissage destiné à la prise de données pour la physique, les faisceaux ont été renouvelés avec le même nombre d’ions xénon, afin de réaliser une étude de développement de la machine sur une installation de test destinée à la collimation par cristaux à haute énergie. 

Collisions entre des noyaux de xénon dans le détecteur d’ALICE. (Image: ALICE/CERN)