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Le Grand collisionneur de hadrons haute luminosité

De nouvelles technologies pour le LHC haute luminosité

Le LHC haute luminosité, qui  devrait entrer en service après 2025, multipliera par dix la luminosité du LHC. Pour mener à bien cette amélioration majeure, les scientifiques et les ingénieurs optimisent tous les paramètres du collisionneur. De nombreux équipements, dont certains totalement innovants, sont développés.

Une optique de faisceau inédite

Accroître la luminosité implique d’augmenter le nombre de collisions. L’objectif est de provoquer 140 collisions à chaque fois que les paquets de particules se croisent au centre des détecteurs ATLAS et CMS, contre 30 actuellement. Pour y parvenir, le faisceau sera plus intense et plus concentré que celui du LHC. Une prouesse sera de maintenir la luminosité à un niveau constant pendant toute la durée de vie du faisceau. Actuellement, elle décroît à mesure que les protons entrent en collision et disparaissent. Dans le LHC haute luminosité, la focalisation des faisceaux (leur concentration avant l’impact) sera adaptée pour que le nombre de collision reste constant. D’autres améliorations de l’optique du faisceau sont à l’étude, comme le système de compression télescopique achromatique, ainsi qu’une nouvelle instrumentation pour mesurer les paramètres du faisceau.

Des aimants de focalisation plus puissants

Pour augmenter le nombre de collisions, les faisceaux seront plus concentrés avant de se percuter. De nouveaux aimants quadripôles plus puissants, générant un champ magnétique de 12 teslas d’intensité (contre 8 teslas pour ceux du LHC), seront installés de part et d’autre des expériences ATLAS et CMS. Chaque détecteur sera encadré par douze de ces aimants formés à partir d’un composé supraconducteur intermétallique de niobium et d’étain. Les aimants actuels du LHC font appel à l’alliage niobium-titane. (1)

Des cavités « crabe » pour orienter les faisceaux

Ces cavités supraconductrices orienteront les paquets de particules avant la collision de manière à élargir la zone où ils se rencontrent. Elles donneront une impulsion transversale aux paquets de particules. Seize cavités en crabe seront installées de part et d’autre de chacune des expériences ATLAS et CMS. (3)

La protection de la machine renforcée

Les faisceaux contenant plus de particules, la protection de la machine doit être renforcée. Cette protection repose sur des collimateurs : ces équipements absorbent les particules qui s’éloignent de la trajectoire du faisceau et qui pourraient, sinon, endommager la machine. De nouveaux collimateurs, à base d’un matériau qui engendre moins de perturbations électromagnétiques sur le faisceau, et dotés d’une nouvelle instrumentation, sont en cours de développement. Une soixantaine des 118 collimateurs existants seront remplacés par ces nouveaux collimateurs et 15 à 20 collimateurs seront ajoutés. (5)

Des aimants de courbure plus compacts et plus puissants

L’anneau du LHC est déjà rempli d’équipements. Pour pouvoir insérer des collimateurs supplémentaires, quatre aimants dipôles de 15 mètres de long seront remplacés par quatre paires d’aimants plus courts (5,5 mètres chacun) et quatre collimateurs. Ces nouveaux aimants dipôles sont plus puissants car ils doivent incurver la trajectoire des protons sur 11 mètres au lieu de 15. Également à base du composé supraconducteur intermétallique niobium-étain, ils généreront un champ magnétique d’une intensité de 11 teslas, contre 8.3 teslas pour les aimants dipôles actuels. (4)

Des travaux de génie civil

Deux nouvelles galeries de service de 300 mètres de long seront creusées à côté des cavernes des expériences ATLAS et CMS. Elles abriteront les équipements particulièrement sensibles aux radiations, comme les convertisseurs de puissance, qui transforment le courant alternatif du réseau électrique en courant continu de forte intensité pour les aimants. D’autres équipements, pour la cryogénie notamment, seront déplacés dans ces galeries. Deux nouveaux puits d’environ 100 mètres de profondeur seront également creusés pour accéder à ces galeries depuis la surface. (2)

Des liaisons supraconductrices innovantes

Des lignes de transmission électrique supraconductrices innovantes relieront les convertisseurs de puissance à l’accélérateur. Ces câbles sont formés d’un matériau supraconducteur à haute température, le diborure de magnésium, fonctionnant à 20 kelvins et plus stable que d’autres supraconducteurs. Ils pourront transporter des courants avec des intensités record, jusqu’à 100 000 ampères ! (6)

Une chaîne d’accélération rénovée

Les performances du LHC et de son successeur, le LHC haute luminosité, reposent aussi sur la chaîne d’injecteurs, les quatre accélérateurs qui pré-accélèrent les faisceaux  avant de les envoyer dans l’anneau de 27 kilomètres. Cette chaîne d’accélérateurs est en cours d’amélioration dans le cadre du projet LIU (Amélioration des injecteurs du LHC). Une amélioration majeure interviendra en 2020 avec la mise en service d’un nouvel accélérateur linéaire, le Linac 4, premier maillon de la chaîne, pour remplacer l’actuel Linac 2. Des améliorations sont également prévues sur le Booster du PS, le PS, et le SPS, les trois autres maillons de la chaîne d’accélération.

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