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Les cavités en crabe entrent dans leur carapace

Les deux cavités en crabe, qui ont été placées dans leurs enceintes d’hélium, sont en cours d’installation dans leur cryostat

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Les cavités en crabe entrent dans leur carapace

Des membres de trois départements (Ingénierie, Technologie et Faisceaux) procèdent aux dernières vérifications sur les cavités en crabe avant leur installation dans le cryostat. (Image : Julien Ordan/CERN)

Construire des cavités en crabe (voir encadré ci-dessous) s’apparente un peu à assembler un puzzle en trois dimensions immense et compliqué après l’avoir conçu de A à Z. Cette activité, loin d’être un jeu d’enfant, demande beaucoup de réflexion et une planification minutieuse.

L’assemblage des nouvelles cavités en crabe supraconductrices, qui doivent être testées auprès du Supersynchrotron à protons (SPS) en 2018, progresse à un rythme régulier et conformément au calendrier. Ce travail est le fruit d’un gros effort d’équipe, auquel ont participé sept groupes de trois départements du CERN**, et également des collègues d’instituts situés au Royaume-Uni et aux États-Unis.

La première étape s’est achevée fin mars 2017, lorsque les deux cavités fabriquées au CERN ont démontré un voltage transverse maximal de 5 megavolts, dépassant ainsi le voltage requis, qui était de 3,4 megavolts.

Depuis ce succès initial, chacune des cavité a été insérée dans une enceinte spéciale en titane, conçue pour que les cavités baignent dans de l’hélium liquide et puissent ainsi fonctionner à une température de 2 kelvins. Le principal coupleur de puissance et quatre coupleurs supplémentaires, nécessaires au fonctionnement des cavités, ont été assemblés. Ces opérations ont été réalisées dans une salle blanche afin de maintenir le niveau de performance atteint pendant les premiers tests radiofréquence. Plus tard, les deux cavités ont été connectées l’une à l’autre à l’aide d’une table de précision, ce qui a permis d’aligner soigneusement le centre électrique des cavités en vue d’un fonctionnement avec faisceau optimal.

La chaîne de cavités est en cours d’installation dans son cryostat. « On peut se représenter un cryostat comme une bouteille thermos haute performance ; il réduit la charge thermique et maintient les cavités à leur température de fonctionnement. Il les protège également du champ magnétique de la Terre », explique Ofelia Capatina, chef adjointe du lot de travaux concernant les cavités en crabe du projet LHC à haute luminosité (HL-LHC).

L’étape finale est l’installation du cryostat dans le SPS pour des tests avec des faisceaux de protons. Celle-ci aura lieu en janvier 2018, pendant l’arrêt technique hivernal. « Ces tests seront déterminants. Ils nous aideront à valider plus de dix ans de recherche et de développement sur la technologie des cavités en crabe supraconductrices, et déclencheront le lancement de la production en série en vue du HL-LHC », explique Rama Calaga, le physicien spécialisé en radiofréquence à l’origine de cette technologie et le chef du lot de travaux pour le projet des cavités en crabe.

Au total, 16 cavités en crabe seront installées dans le HL-LHC : huit à proximité d’ATLAS et huit à proximité de CMS.

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La chaîne de cavités en crabe dans l’installation SM18. (Image : Max Brice ; Julien Ordan/CERN)

*Qu’est-ce qu’une cavité en crabe?

Elles ne vont pas vous pincer, et vous ne pouvez pas les manger en salade. Le nom de ces cavités n’a aucun rapport avec leurs fonctionnalités ; il illustre simplement l’effet qu’elles ont sur les paquets de protons. Les cavités en crabe joueront un rôle important dans le cadre de la future amélioration du Grand collisionneur de hadrons (LHC), le LHC à haute luminosité (HL-LHC). La nouvelle configuration, qui doit être opérationnelle après 2025, vise à multiplier par 10 la luminosité (soit la mesure du taux de collisions) du LHC . Dans la configuration actuelle, les deux faisceaux, qui circulent en sens opposés, se rencontrent sous un certain angle aux points de collision des expériences. La particularité des cavités en crabe est leur capacité à « incliner » les paquets de protons de chaque faisceau, ce qui les force à entrer en collision frontale et maximise donc la luminosité. Une fois inclinés, les paquets de protons semblent se déplacer latéralement – comme le ferait un crabe.

À gauche : Illustration des collisions dans la configuration actuelle du LHC : les paquets de protons entrent en collision selon un angle de croisement. À droite : Illustration des effets des cavités en crabe sur les paquets. Après avoir été inclinés dans les cavités en crabe par le champ radiofréquence transverse, les paquets entrent en collision frontale au point de collision. (Image : CERN)

** Groupes BE-RF, EN-ACE, EN-HE, EN-MME, EN-STI, TE-CRG et TE-VSC