Le 19 mai, à 6 h du matin, le programme de physique avec protons de la troisième période d’exploitation du LHC a officiellement pris fin. Grâce à l’excellente performance et la disponibilité à la fois du LHC et de sa chaîne d’injection, la luminosité intégrée de cette année a dépassé toutes les attentes : les quatre grandes expériences LHC ont enregistré des valeurs bien supérieures aux projections initiales (illustration 1).

La troisième période d’exploitation s’est avérée exceptionnelle à plus d’un titre. Non seulement les objectifs de luminosité intégrée ont été largement dépassés, mais la luminosité intégrée totale livrée au cours cette période d’exploitation a plus que doublé par rapport à la deuxième période d’exploitation (illustration 2). Au cours des trois périodes d’exploitation du LHC, un total d’environ 540 fb⁻¹ a été accumulé jusqu’à présent par ATLAS et CMS, bien au-delà des 300 fb⁻¹ pour lesquels la machine avait été conçue au départ. Ces résultats exceptionnels sont l’aboutissement de plusieurs années d’optimisation continue, de consolidation et d’expérience opérationnelle dans l’ensemble du complexe d’accélérateurs du CERN.

La fin de la campagne de physique avec protons ne marque toutefois pas l’achèvement de la troisième période d’exploitation. Après un bref arrêt technique les 21 et 22 mai, le LHC se prépare maintenant à un programme de trois semaines de physique avec ions plomb. Les collisions d’ions lourds servent à recréer des conditions semblables à celles qui prévalaient juste après le Big Bang, permettant d’étudier le plasma quarks–gluons, état de la matière très particulier dans lequel les quarks et les gluons ne sont plus confinés à l’intérieur des protons et des neutrons.

Les dernières semaines avant le troisième long arrêt seront consacrées à des tests de haute intensité, des études de développement de la machine et une brève campagne de transitions résistives contrôlées. Ces activités prépareront le LHC pour le troisième long arrêt, au cours duquel des améliorations majeures seront apportées à l’accélérateur afin de le transformer en machine à haute luminosité (HiLumi LHC), ouvrant une nouvelle ère pour la physique de précision à partir de la fin de la décennie.

Tandis que la physique avec protons s’achevait au LHC, au niveau du complexe d’injection, les efforts se concentraient sur la préparation de la chaîne de faisceau d’ions afin d’assurer une excellente qualité de faisceau dès le premier jour de la campagne avec ions du LHC. D’importants progrès ont déjà été réalisés tout au long de la chaîne d’accélérateurs d’ions : le Linac 3, l’Anneau d’ions de basse énergie (LEIR), le Synchrotron à protons (PS) et le Supersynchrotron à protons (SPS).

Le Linac 3 fonctionne maintenant de manière stable, à des courants d’environ 30 μA, et a atteint l’objectif de performance fixé par le projet d’amélioration des injecteurs du LHC (LIU). Dans le LEIR, l’intensité des faisceaux extraits a dépassé 10×10¹⁰ charges, soit plus que l’objectif de 9×10¹⁰ fixé par le projet LIU. À la suite d’optimisations apportées au PS, le faisceau principal a été transféré au SPS, où trois jours de mise en service des faisceaux ont permis d’effectuer quatre cycles opérationnels.

Une attention particulière a été apportée au cycle de superposition par glissement du SPS, l’une des manipulations de faisceau les plus exigeantes dans le cadre de l’exploitation avec ions. Grâce à l’expérience acquise ces dernières années, l’intensité des faisceaux extraits a rapidement atteint des valeurs environ 15 % plus élevées que l’objectif de 2×10⁸ ions par faisceau fixé par le projet LIU.

La superposition par glissement est une manipulation radiofréquence complexe, développée dans le cadre du programme consacré aux ions du projet LIU et visant à augmenter le nombre de paquets d’ions livrés au LHC. Pour le dire simplement, deux groupes de paquets sont « glissés » l’un dans l’autre dans le SPS grâce à des niveaux de radiofréquence légèrement différents (illustration 3). À mesure que les deux groupes s’interpénètrent, ils reforment un seul faisceau d’une densité de paquets deux fois plus élevée. Cela permet au SPS de livrer 56 paquets espacés de 50 nanosecondes au LHC, augmentant sensiblement la luminosité disponible pour la physique des ions lourds.

En plus des préparatifs pour la campagne avec ions et la livraison habituelle de faisceaux aux nombreuses expériences à cible fixe, le complexe d’injection se prépare également aux futures générations d’expériences haute intensité dans la zone Nord du SPS. L’un des défis majeurs consiste à réduire les pertes de faisceau dans la zone d’extraction du SPS, où les inévitables pertes de particules peuvent mener à des niveaux de rayonnements résiduels plus élevés.

Par conséquent, un nouveau dispositif constitué de cristaux, développé par le groupe Sources, cibles et interactions (STI), a entamé sa première campagne de tests opérationnels au moyen d’un faisceau d’intensité nominale. Les études sont menées par le groupe Transfert de faisceaux (ABT), avec l’appui du groupe Opérations (OP) pour le déploiement et la coordination.

Cette méthode s’appuie sur un alignement spécial de cristaux qui absorbent une partie du halo du faisceau, protégeant ainsi les composants sensibles. Les premiers résultats opérationnels sont très encourageants : les pertes dans le septum électrostatique (composant le plus exposé dans la zone d’extraction lente) ont été divisées presque par quatre lors de l’utilisation du dispositif à base de faisceaux, ce qui correspond parfaitement aux simulations de la dynamique des faisceaux.

L’objectif final, toutefois, n’est pas seulement de réduire les pertes instantanées, mais aussi de limiter les rayonnements résiduels qui s’accumulent au fil du temps, compliquant les interventions de maintenance. Pour mesurer cet effet, la campagne est menée en étroite collaboration avec les groupes Radioprotection (RP) et Électronique de contrôle et mécatronique (CEM). Un système de relevé robotisé mesure le niveau de rayonnements résiduels dans la zone d’extraction avant et après une circulation de faisceau utilisant ce dispositif à cristaux. Ces mesures permettront de déterminer si les réductions de pertes de faisceau observées se traduisent réellement par une moindre activation des composants d’accélérateur. Ce point est crucial étant donné les intensités de faisceau encore plus élevées prévues pour de futurs projets, tels que l’expérience SHiP (recherche de particules cachées) et l’installation à haute intensité du hall ECN3.