Première mondiale : des protons qui avancent en crabe

Les deux premiers prototypes de cavités-crabe au banc d’essai dans le Supersynchrotron à protons (SPS). Le cryomodule contenant les cavités a été installé sur une table mobile qui permet de le déplacer dans la ligne du faisceau (Image : M. Brice/CERN)

Le CERN a testé avec succès des « cavités-crabe », cavités dont la fonction est de modifier l’orientation des paquets de protons dans le faisceau – une première mondiale. Le test s’est déroulé le 23 mai, avec un faisceau du Supersynchrotron à protons (SPS) du CERN. Il a montré que les paquets de protons pouvaient être inclinés au moyen de ces cavités radiofréquence supraconductrices générant un champ transverse. Celles-ci sont des pièces essentielles pour le LHC à haute luminosité (HL-LHC), la future version améliorée du LHC.

Le HL-LHC, qui sera mis en service après 2025, fera augmenter la luminosité du LHC d’un facteur de cinq à dix. La luminosité est un indicateur clé de la performance d’un collisionneur : elle donne le nombre de collisions potentielles par unité de surface sur une période de temps donnée. En d’autres termes, plus la luminosité est élevée, plus les collisions sont nombreuses, et donc plus les expériences peuvent enregistrer de données. Cette luminosité plus élevée permettra aux scientifiques d’observer des processus rares dont la détection exige un niveau de sensibilité dépassant la portée actuelle du LHC. Les physiciens seront ainsi également en mesure de réaliser des études de précision sur les nouvelles particules observées dans le LHC, comme le boson de Higgs. Pour cette augmentation de la luminosité, les cavités-crabe nouvellement développées auront un rôle important à jouer.

Les deux faisceaux qui circulent en sens opposés dans le LHC ne sont pas constitués d’un flux ininterrompu de particules, mais de « paquets » de protons de quelques centimètres de long, qui contiennent chacun des milliards de protons. Ces paquets se rencontrent, avec un petit angle de croisement, à chaque point de collision, au cœur des expériences. Une fois qu’elles seront installées en amont et en aval des expériences ATLAS et CMS, les cavités-crabe « inclineront » les paquets de protons de chaque faisceau, de manière à maximiser leur zone de recoupement au point de collision. De cette manière, chaque proton contenu dans le paquet sera forcé de passer à travers toute la longueur du paquet opposé, ce qui augmente la probabilité des collisions, et donc la luminosité. Une fois inclinés, les paquets de protons semblent se déplacer latéralement – comme le ferait un crabe. Des cavités-crabe ont déjà été utilisées dans le collisionneur KEKB au Japon, avec des électrons et des positons, mais jamais avec des protons, qui sont plus massifs et atteignent des énergies largement plus élevées. « Les cavités-crabe sont censées augmenter la luminosité, dans l’ensemble, de 15 à 20 % », indique Rama Calaga, qui dirige le projet des cavités-crabe.

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Le premier prototype de cavité-crabe a été assemblé durant l'été 2017 (Image: Julien Ordan/CERN)

Les deux premiers prototypes de cavités-crabe ont été fabriqués au CERN en 2017, en collaboration avec l’Université de Lancaster et le STFC (Science and Technology Facilities Council) au Royaume-Uni, ainsi qu’avec le programme LARP (LHC Accelerator Research Program) aux États-Unis. Les cavités ont été assemblées dans un cryostat, puis testées, au CERN. Composées d’un matériau supraconducteur en niobium d’une grande pureté, elles fonctionnent à 2 kelvins (-271 °C) et génèrent un voltage transverse très élevé, de 3,4 millions de volts. Les cavités ont été installées dans l’accélérateur SPS pendant le dernier arrêt technique hivernal afin de subir des tests de validation avec des faisceaux de protons.

Les premiers tests avec faisceaux, qui ont eu lieu le 23 mai, ont duré plus de cinq heures. Ils se sont déroulés à une température de 4,2 K, avec un unique paquet de protons accéléré à 26 GeV et contenant entre 20 et 80 milliards de protons, ce qui correspond presque à l’intensité des paquets du LHC. Les cavités-crabe ont été mises sous tension à environ 10 % de leur voltage nominal. La « progression en crabe » a été suivie au moyen d’un moniteur spécial, permettant d’observer l’inclinaison sur toute la longueur du paquet. « Ces tests marquent le début du fonctionnement d’une installation exceptionnelle pour le test des cavités supraconductrices avec un faisceau de protons de haute énergie et un courant élevé, explique Lucio Rossi, chef du projet HL-LHC. Les résultats sont impressionnants et cruciaux pour prouver qu’il est faisable d’utiliser ces cavités pour faire augmenter la luminosité dans le LHC. »

Dans les mois à venir, les cavités seront mises en service à leur voltage nominal de 3,4 millions de volts, et elles subiront une série de tests afin de valider entièrement leur fonctionnement en vue de l’ère du HL-LHC. Au total, 16 cavités-crabe seront installées dans le HL-LHC : huit à proximité d’ATLAS et huit à proximité de CMS.   

Regardez cette courte vidéo (en anglais) pour en apprendre plus sur le fonctionnement des cavités-crabe. (Vidéo : Polar Media/CERN)