Les faisceaux circulent dans le LHC à des vitesses proches de celle de la lumière, et lorsque des particules s'éloignent trop de la trajectoire principale, ce n’est pas une mince affaire de les « nettoyer ». Plus de 100 collimateurs sont placés le long de l'anneau, en des points spécifiques, et ont pour mission de veiller à ce que les particules qui s'éloignent de la trajectoire du faisceau – et forment alors ce que l'on appelle le halo du faisceau – soient nettoyées ou absorbées afin de protéger les équipements délicats de l'accélérateur. Au mois d'octobre, il a été démontré qu'une technique de pointe, utilisant des cristaux courbés, permettait d'améliorer la performance générale du processus de nettoyage.

Comme leur nom l’indique, ces cristaux ont été courbés mécaniquement, et ils présentent une courbure d'un angle microscopique. Vu la nature de la structure cristalline, les particules du halo, qui normalement se disperseraient selon des angles aléatoires, peuvent être dirigées et canalisées directement vers les absorbeurs installés en aval ; cela réduit la nécessité d’avoir recours aux collimateurs secondaires et tertiaires utilisés par le système actuel du LHC. L'application de cette technologie à la collimation de faisceaux trouve son origine dans les travaux pionniers entrepris par la collaboration UA9 en 2009, et elle bénéficie de fonds en provenance du projet LHC à haute luminosité. Les cristaux courbés, utilisés dans divers scénarios comme des outils pour les études sur la collimation dans le LHC, n'avaient pourtant jamais, jusqu'ici, été utilisés dans une campagne pour la physique.

« Nous avons deux cristaux courbés installés sur chacun des tubes de faisceau du LHC au point 7, qui sont utilisés pour des études sur la collimation avec des cristaux, explique Stefano Redaelli, responsable du système de collimation du LHC et de son amélioration en prévision du LHC à haute luminosité. Dans ces dispositifs, les particules du halo sont guidées par la structure périodique extrêmement pure du cristal. L'utilisation de cristaux permet de courber la trajectoire des particules sur de courtes distances avec un effet bien supérieur à ce qui serait obtenu avec des aimants conventionnels.»

Les halos des faisceaux représentent un problème, car ils peuvent endommager des équipements délicats tels que les aimants supraconducteurs et qu'ils altèrent aussi la qualité des données de physique, parce qu’ils créent davantage de bruit de fond. Pour atténuer ces effets indésirables, l'équipe chargée de la collimation des faisceaux du LHC utilise plusieurs techniques différentes. L'une de celle-ci est le « grattage », avec lequel il est nécessaire d'arrêter le faisceau pour nettoyer et disperser le halo ; cela entraîne pour chaque remplissage une perte de temps considérable avant que la prise de données puisse reprendre. Avec les cristaux courbés, les halos du faisceau sont dirigés vers des absorbeurs prévus à cet effet, ce qui réduit la perte de temps et améliore la qualité des données, le bruit de fond étant alors moins important. 

« Nous avons décidé, pour les pots romains des expériences TOTEM et ATLAS-ALFA, d'utiliser des cristaux pour canaliser les particules causant le bruit de fond. Des simulations détaillées ont été réalisées, puis les cristaux ont été intégrés et utilisés en tant que collimateurs primaires avec des faisceaux de faible intensité », explique Stefano Redaelli. Les résultats mesurés ont montré qu'il y avait moins de bruit de fond et qu'il n’était plus nécessaire de recourir fréquemment au « grattage ». 

Les tests de l'utilisation de la collimation avec des cristaux pour nettoyer les faisceaux se poursuivront jusqu'à la fin de l'année. De nombreuses équipes ont participé au développement des systèmes de collimation à cristaux installés dans le LHC, notamment les groupes BE-ABP (Physique des accélérateurs et faisceaux), EN-SMM (Topométrie, mécatronique et mesures), et EN-STI (Sources, cibles et interactions). Tous sont curieux de découvrir quelle sera l'efficacité de ce système pour le nettoyage des pertes complexes provenant du halo des faisceaux d'ions lourds. Ces nouveaux résultats fourniront des éléments d'information importants pour décider si la collimation avec des cristaux peut être intégrée dans les programmes d'amélioration en vue du HL-LHC.

*La collaboration UA9 comprend les instituts CERN, PNPI, INFN, LAL, JINR, IHEP, Imperial College London.