Vendredi 10 novembre, les derniers faisceaux de l’exploitation avec protons pour 2017 ont circulé dans le LHC. Comme chaque année, la campagne se termine par un bilan de la luminosité. Le LHC a largement dépassé l’objectif qui lui était fixé pour 2017. Il a fourni à ATLAS et CMS, les deux grandes expériences du LHC, 50 femtobarns inverses de données, soit 5 millions de milliards de collisions.
Ce résultat est d’autant plus remarquable que les experts de la machine ont dû surmonter une difficulté importante. Un problème de vide dans le tube de faisceau d’un groupe d’aimants a limité le nombre de paquets pouvant circuler dans la machine. Plusieurs équipes étaient mobilisées pour venir à bout de ce problème. La manière dont les paquets sont agencés dans les faisceaux a notamment été modifiée. Au bout de quelques semaines, la luminosité repartait à la hausse.
Parallèlement, les opérateurs ont optimisé au cours de l’année les paramètres de l’exploitation. Grâce à un nouveau système mis en place cette année, la configuration de compression télescopique achromatique (configuration ATS), ils ont notamment réduit la taille des faisceaux au moment où ils se croisent au centre des expériences. Plus les faisceaux sont resserrés, plus grand est le nombre de collisions à chaque croisement. L’an passé, les opérateurs étaient parvenus à obtenir 40 collisions à chaque croisement de paquets, sachant que chaque paquet contient 100 milliards de particules. En 2017, jusqu’à 60 collisions se sont produites à chaque croisement.
Avec ces améliorations, le record de luminosité instantanée a été pulvérisé, atteignant 2,06 x 1034cm-2s-1, soit deux fois la valeur nominale.
Le LHC continuera de fonctionner pendant deux semaines encore pour deux exploitations spéciales et une étude de fonctionnement. La première exploitation spéciale consiste à effectuer des collisions de protons à une énergie de 5,02 TeV. Cette énergie correspond à celle prévue pour l’exploitation avec des ions de plomb l’an prochain. Les physiciens peuvent ainsi récolter des données de référence avec des protons qu’ils pourront comparer à celles avec des ions de plomb.
La deuxième exploitation spéciale, à très faible luminosité, est destinée aux expériences TOTEM et ATLAS/ALFA. Pour ces études, les faisceaux sont desserrés et l’énergie limitée à 450 GeV, soit l’énergie d’injection dans le LHC.
Enfin, les opérateurs réaliseront une campagne dite de « Développement machine ». Durant une semaine, ils réaliseront des essais de fonctionnement pour améliorer encore les performances de l’accélérateur, incluant notamment des tests avec la configuration de compression télescopique achromatique (configuration ATS).
La magie de la configuration de compression télescopique achromatique
Au début de l’année, il a été décidé de procéder à d’importantes modifications de l’optique du LHC afin de rendre celle-ci compatible avec les techniques dites de compression télescopique achromatique, ou configuration ATS. Cette configuration permet des manipulations de l’optique, innovantes et complémentaires des techniques standard, qui sont utilisées pour réduire la valeur de bêta*, paramètre qui quantifie les dimensions transverses du faisceau au point d’interaction. Cette configuration est aujourd’hui reconnue comme le moyen le plus rentable, sinon le seul, et le plus robuste pour atteindre l’objectif très ambitieux du HL-LHC d’une valeur de bêta* de 10-15 cm, qui reste bien au-dessous des limites intrinsèques atteignables avec les techniques de compression standard.
La première difficulté qu’il a fallu surmonter pour permettre une mise en service rapide de cette configuration dans le LHC a consisté à démontrer la possibilité d’obtenir une version de l’optique du LHC avec une valeur intermédiaire de bêta* de 40 cm qui soit compatible avec la configuration ATS. Cette valeur de 40 cm, déjà atteinte en 2016, est intermédiaire du point de vue du HL-LHC, mais déjà au-delà de la valeur nominale de bêta* pour le LHC de 55 cm. La seconde difficulté a été la validation des techniques télescopiques de cette configuration qui allaient être déployées plus tard dans l’année. Ces techniques ont contribué aux performances record du LHC actuel en l’aidant à atteindre une valeur de bêta* de 30 cm, une réduction presque de moitié par rapport à sa valeur nominale.