Au LHC, c'est déjà demain

Le Centre de contrôle du CERN en 2017, d'où sont pilotés tous les accélérateurs et les infrastructures techniques du CERN. Le complexe d'accélérateurs et le LHC ont accumulé un nombre de données record en 2017. (Image : Julien Ordan/CERN)

Lundi 4 décembre à 4h00, les opérateurs des accélérateurs ont appuyé sur le bouton « stop » du complexe d’accélérateurs et du Grand collisionneur de hadrons pour l’habituelle pause hivernale. Tandis que les machines se reposent, le personnel s’active. Durant l’arrêt technique, les équipes du CERN vont réaliser toutes les maintenances et les améliorations nécessaires avant le redémarrage au printemps prochain.

Le LHC finit l’année sur un record de luminosité, avec 50 femtobarns inverses de données, soit cinq millions de milliards de collisions. Mais l’accélérateur n’a pas seulement produit beaucoup de données pour les programmes de physique.

Avant que la machine ne soit mise à l’arrêt, de nouvelles techniques ont été testées pour augmenter la luminosité de la machine. Ces techniques ont en réalité été développées pour le successeur du LHC, le LHC à haute luminosité (HL-LHC). Prévu pour démarrer en 2026, le LHC à haute luminosité produira cinq à dix fois plus de collisions que l’actuel LHC. Pour ce faire, il sera doté de nouveaux équipements et d’une nouvelle optique, basée sur le schéma dit de compression télescopique achromatique (ATS – « Achromatic Telescopic Squeezing »), une configuration testée cette année dans le LHC.

Manier des faisceaux de particules revient à manipuler des faisceaux lumineux. Dans un accélérateur, les aimants dipolaires (ou dipôles) sont comme des miroirs qui guident les faisceaux dans les courbes. Les aimants quadripolaires (ou quadripôles) jouent le rôle de lentilles concaves et convexes, en alternance, afin de contenir les faisceaux dans le plan transverse, mais aussi et surtout pour les focaliser fortement aux points d’interaction des expériences. Des aimants correcteurs (dits hexapolaires) corrigent les aberrations chromatiques (un peu comme des verres correcteurs peuvent corriger l’astigmatisme). Configurer l’optique d’un accélérateur revient à utiliser l’ensemble de ces aimants de la façon la plus judicieuse possible.

Pour augmenter la luminosité, et donc le nombre de collisions, un moyen très efficace est de réduire la taille du faisceau aux points d’interaction, autrement dit de compresser au maximum les paquets de particules. Dans le LHC à haute luminosité, des aimants quadripôles plus puissants et à plus grande ouverture, placés de part et d’autre des expériences, concentreront les paquets avant la collision. Cependant, pour que ces aimants soient le plus efficaces possibles, le faisceau doit être fortement dilaté en amont, un peu comme un ressort qu’on étire le plus possible pour qu’il se rétracte au maximum. C’est là qu’entre en jeu la nouvelle configuration. Au lieu d’utiliser les seuls aimants  quadripôles de part et d’autre des points de collision, le système ATS utilise également les aimants situés bien plus loin dans la machine, transformant sept kilomètres de l’accélérateur en un gigantesque système de focalisation.

Graphique montrant la luminosité intégrée au cours des différentes périodes d'exploitations. En 2017, le LHC a accumulé 50 femtobarns inverses de données, l'équivalent de 5 millions de milliards de collisions. (Image : CERN)

Ces techniques ont été appliquées en partie cette année dans le LHC. Elles le seront d’avantage au cours des prochaines périodes d’exploitation. « Le cœur du LHC à haute luminosité bat déjà dans le LHC, explique Stéphane Fartoukh, le physicien à l’origine du nouveau concept. Les nouveaux tests réalisés la semaine dernière prouvent une fois de plus la fiabilité de ce schéma, tout en démontrant la possibilité d’autres applications parfois au-delà des attentes initiales. »

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