Pour protéger leurs systèmes électroniques sensibles, les détecteurs ATLAS et CMS ont besoin de températures extrêmement basses et stables. Les systèmes de refroidissement traditionnels utilisent des réfrigérants synthétiques, tels que les hydrofluorocarbures (HFC), qui, bien qu’efficaces, ont un potentiel de réchauffement climatique des milliers de fois supérieur à celui du CO₂. À la recherche d’une alternative durable, le CERN a opté pour le CO₂, un réfrigérant naturel ayant un impact environnemental bien moindre.

Le CERN a recours au refroidissement au CO₂ depuis près de vingt ans. Tout a commencé en 2008 à LHCb, avec le premier système au CO₂ à boucle contrôlée par accumulateur diphasique (2PACL) – technologie initialement conçue par le Nikhef qui fait circuler du CO₂ liquide pour maintenir des conditions thermiques précises dans les détecteurs de particules. En 2010, le groupe Technologie des détecteurs (EP-DT) du CERN a pris la relève, poursuivant le développement et le déploiement de systèmes au CO₂ améliorés de type 2PACL pour ATLAS et CMS.

En 2016, alors qu’ATLAS et CMS cherchaient à étendre cette technologie à l’ensemble de leurs détecteurs au silicium, le groupe EP-DT a proposé d’appliquer le refroidissement au CO₂ au système primaire – un concept qu’il avait lui-même conçu. En 2017, l’Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU), spécialisée dans la réfrigération au CO₂, s’est jointe au projet. Son expertise en thermodynamique, associée au savoir-faire du groupe EP-DT dans le domaine des détecteurs et aux compétences en ingénierie à grande échelle du groupe Refroidissement et ventilation du département Ingénierie (EN-CV), a permis de concrétiser ce concept et d’aboutir à un système pleinement opérationnel.

Après des années de modélisation, de prototypage et de tests visant à valider la stabilité et l’efficacité du CO₂, le système primaire (en amont des boucles CO₂ 2PACL et installé en surface) a été mis en service en mai 2026. Construit par l’entreprise Infrasolution en Allemagne, il intègre un système de réfrigération modulaire novateur conçu par le CERN. Aujourd’hui, onze unités sont en fonctionnement à CMS et sept à ATLAS, marquant une étape importante en matière de refroidissement durable dans le domaine de la physique des particules.

Le système primaire fonctionne conjointement avec les unités 2PACL du CERN, qui font circuler du CO₂ liquide à travers les couches les plus internes des détecteurs ATLAS et CMS, ce qui permet de maintenir les conditions thermiques précises dont les expériences ont besoin, tout en limitant la quantité de matière dans la zone de trajectographie des particules. Le système primaire alimente ces unités en refroidissement depuis la surface, formant une chaîne de refroidissement au CO₂ entièrement intégrée.

« Grâce à ses propriétés à haute pression, le CO₂ permet de transporter efficacement la chaleur sur de longues distances, ce qui rend possible l’installation de compresseurs en surface, explique Bart Verlaat (EP-DT). Il n’est dès lors plus nécessaire de recourir à une isolation thermique souterraine ou à des boucles de refroidissement intermédiaires, ce qui simplifie le système, améliore l’efficacité et réduit la consommation d’énergie. »

Des tests approfondis auront lieu pendant le troisième long arrêt, parallèlement à l’avancement des travaux souterrains visant à achever l’ensemble de l’infrastructure de refroidissement au CO₂. L’objectif est de disposer d’un système opérationnel d’ici à la fin de 2027. Grâce à ce système, les HFC (hydrofluorocarbures) ne sont plus utilisés dans l’infrastructure de refroidissement primaire du CERN pour les expériences ATLAS et CMS, ce qui réduit l’impact sur l’effet de serre tout en conciliant performance et durabilité. Avec des économies attendues d’environ 40 000 tonnes d’équivalent CO₂ par an, il s’agit d’une étape majeure vers l’objectif que s’est fixé l’Organisation pour 2030 :réduire de 50 % ses émissions directes de gaz à effet de serre par rapport au niveau de référence de 2018.

De sa conception en 2017 à sa mise en œuvre en 2026, cette initiative démontre comment l’innovation et la collaboration internationale peuvent contribuer à la fois à l’excellence scientifique et à la responsabilité environnementale.