Alors que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a cessé ses opérations pour le troisième long arrêt (LS3) le reste du complexe d’accélérateurs du CERN reste plus mobilisé que jamais. La chaîne d’injecteurs du LHC continue de fournir des faisceaux de protons à de nombreuses installations, notamment au décélérateur d’antiprotons ELENA, aux expériences des zones Est et Nord, et à l’installation n_TOF.

Ces activités nous rappellent toute la richesse de la physique qui peut être réalisée avec le complexe d’accélérateurs du CERN. Tandis que le LHC se prépare à ouvrir un nouveau chapitre de son histoire, les injecteurs, de leur côté, continuent de contribuer au programme de physique actuel du Laboratoire, en fournissant des faisceaux aux expériences vouées à l’étude de l’antimatière, des réactions nucléaires, des technologies des détecteurs, de la physique des neutrinos et des astroparticules, et de bien d’autres domaines à la pointe de la science.

HiRadMat achève son année d’exploitation avec faisceau

Cette semaine a en outre été marquée par la dernière campagne d’exploitation de l’année pour l’installation HiRadMat (High Radiation to Materials). HiRadMat permet de mettre à l’épreuve des matériaux et des équipements à l’aide de faisceaux pulsés fournis par le SPS, reproduisant les conditions extrêmes auxquelles peuvent être exposés les éléments des accélérateurs pendant l’exploitation.

Cette ultime campagne inclut notamment une expérimentation particulièrement importante pour le complexe d’accélérateurs du CERN : l’étude systématique d’une large gamme de matériaux, allant de matériaux largement éprouvés à d’autres qui n’ont encore jamais été utilisés pour des détecteurs de faisceau. En déterminant le seuil de défaillance de ces matériaux et en caractérisant leur comportement lorsqu’ils sont exposés à des faisceaux intenses, les scientifiques cherchent à améliorer la fiabilité et la robustesse des systèmes de surveillance des faisceaux sur l’ensemble de la chaîne d’accélérateurs.

Cette étude, qui comble une lacune importante dans la littérature scientifique existante, apportera de précieuses connaissances pour le développement et l’exploitation des accélérateurs de haute intensité d’aujourd’hui et de demain. Unique en son genre, elle ne peut être réalisée qu’au moyen du SPS et des capacités exceptionnelles offertes par l’installation HiRadMat.

Développement machine : optimiser le présent, préparer l’avenir

Un programme intense de développement machine (MD) sera également mené tout au long de l’année. Lors des périodes de développement machine, les spécialistes des accélérateurs mettent en pause la livraison de faisceaux pour optimiser les processus machine, réaliser des mesures spécifiques, étudier de nouveaux faisceaux et tester de nouvelles méthodes d’exploitation. C’est dans le cadre de ces études que prennent forme de nombreuses innovations, avant de trouver leur place dans l’exploitation quotidienne des accélérateurs.

Parmi les sujets récemment à l’étude figure la future installation BDF (Beam Dump Facility) auprès du SPS, développée dans le cadre du projet HI-ECN3 pour accueillir SHiP (Search for Hidden Particles), nouvelle expérience polyvalente. L’expérience SHiP est conçue pour rechercher des particules à longue durée de vie interagissant faiblement, prédites par de nombreux modèles de secteurs cachés. De telles particules pourraient contribuer à éclaircir plusieurs grandes énigmes de la physique moderne, comme la matière noire, les oscillations des neutrinos ou encore l’origine de l’asymétrie matière-antimatière dans l’Univers.

Pour exploiter pleinement le potentiel scientifique de l’expérience SHiP et mener des recherches étendues dans la gamme d’énergie allant du MeV au GeV, pour des valeurs de couplage couvrant plusieurs ordres de grandeur, le SPS devra fonctionner à son intensité maximale. L’objectif est de produire le plus grand nombre possible d’interactions de protons de haute énergie dans l’absorbeur de faisceau, lequel servira de cible de production pour la future installation BDF.

Ces dernières semaines, les études de développement machine menées auprès du SPS ont permis de tester des prototypes de la future cible de production de BDF, installés dans la caverne à cibles TCC2, dans la zone Nord. Les tests les plus récents ont démontré qu’une cible en tungstène pouvait être refroidie efficacement à l’aide d’hélium gazeux tout en étant soumise à l’impact du faisceau de protons de 400 GeV/c.

La limite d’intensité du faisceau prévu pour l’installation SHiP a également fait l’objet d’études complémentaires. Un nouveau cycle a été mis en service avec un nouveau point de fonctionnement afin de stabiliser l’accord de la machine à une valeur inférieure à un demi-entier. Ce mode de fonctionnement stabilise naturellement les oscillations collectives du faisceau induites par les champs de sillage dus aux parois de la chambre à vide. Les contraintes de stabilité s’en trouvent réduites, ce qui a permis d’atteindre une intensité record de 5,4 × 10¹³ protons par cycle à 400 GeV/c (voir figure 1). Environ 90 % des protons injectés dans le SPS ont été conservés jusqu’au plateau d’énergie maximal. Cette intensité accrue pourrait faciliter, à l’avenir, le partage des protons entre l’installation SHiP et les autres utilisateurs du complexe d’accélérateurs.

Le programme de développement machine de 2026 a également porté sur le futur supercycle de production de l’installation SHiP au SPS. Il a par ailleurs permis de valider l’utilisation d’une nouvelle technologie de cristaux permettant de réduire de plus d’un facteur quatre les pertes de faisceau au niveau des septums d’extraction lente du SPS, une avancée importante pour la future exploitation à haute intensité de la zone Nord.

Cette approche repose sur l’utilisation d’un goniomètre spécialement conçu pour accueillir plusieurs cristaux alignés entre eux. Le principe consiste à exploiter de façon répétée le processus de réflexion volumique dans chacun des cristaux ; on parle de de réseau multi-cristaux à réflexion volumique (multi-crystal volume-reflection array ou MVRA). Le MVRA assure une déviation cohérente et efficace des protons qui, autrement, viendraient frapper la lame du septum électrostatique et entraîneraient l’activation des équipements dans la section droite d’extraction LSS2 du SPS. Au lieu de cela, ces protons sont déviés vers les cibles de production de la zone Nord.

Prochaine étape : des ions pour la zone Nord

La prochaine grande étape du programme des accélérateurs est déjà en vue. Au milieu de la semaine prochaine, la zone Nord doit entamer son programme de physique avec ions, en fournissant aux expériences utilisatrices des faisceaux de plomb.

Comme on peut le voir, même si le LHC est à l’arrêt, le complexe d’accélérateurs du CERN continue de faire ce qu’il fait de mieux : fournir des faisceaux pour la science d’aujourd’hui, tester les technologies nécessaires à la science de demain et ouvrir de nouvelles voies pour l’étude de la structure fondamentale de l’Univers.