Une importante campagne d’amélioration du système de collimation du Grand collisionneur de hadrons (LHC), commencée lors du premier arrêt technique du complexe d’accélérateurs du CERN (LS1, 2013-2015), s’est poursuivie pendant le LS2 (2019-2021) dans le cadre du projet LHC à haute luminosité (HL-LHC). Comme son nom l’indique, le HL-LHC permettra une augmentation de la luminosité du LHC, autrement dit du nombre de collisions au cœur des expériences du LHC : la protection des équipements de l’accélérateur doit donc elle aussi être augmentée – c’est là qu’intervient le système de collimation.
C’est quoi un collimateur ?
Les collimateurs sont des blocs mobiles constitués de matériaux capables d’absorber les particules, se présentant sous la forme de « mâchoires » qui se referment au plus près du faisceau pour le nettoyer des particules qui dévient de la trajectoire. Les matériaux constituant ces mâchoires et les différents composants des collimateurs sont capables de résister à des conditions de pression et de température extrêmes, ainsi qu’à des niveaux élevés de radiation.
Pourquoi faut-il nettoyer les faisceaux ?
Les particules qui s’écartent de la trajectoire du faisceau peuvent venir frapper des composants sensibles de l’accélérateur, comme les aimants supraconducteurs par exemple, et entraver leur fonctionnement, voire, dans le pire des cas, les endommager. Pour éviter cela, on place des collimateurs à des endroits stratégiques de l’anneau du LHC, où ils vont, soit absorber les particules égarées, soit les rediriger vers des absorbeurs. La protection est particulièrement cruciale à proximité des expériences, où la taille des faisceaux est réduite pour augmenter les chances de collisions.
Le LHC est actuellement équipé de 118 collimateurs de différentes sortes. Le futur HL-LHC sera lui équipé de 126 collimateurs, parmi lesquels de tout nouveaux modèles développés sur-mesure au CERN. Récemment, deux nouveaux prototypes (baptisés TCLPX et TCTPXH) ont été développés et testés avec succès, sous la supervision de François-Xavier Nuiry, ingénieur en charge de la production des collimateurs pour le HL-LHC. Destinés aux points d’interaction 1 (détecteur ATLAS) et 5 (détecteur CMS) du LHC, ce sont des collimateurs à double faisceau : cette configuration optimisée permet aux deux faisceaux (circulant dans des sens opposés) de passer dans la même chambre à vide, ce qui libère de l’espace pour les mâchoires des collimateurs, qui sont à cet endroit plus épaisses et plus performantes.
« Ces deux prototypes sont novateurs pour plusieurs raisons, explique Dylan Baillard, ingénieur en mécanique au CERN au sein de la section Cibles, collimateurs et absorbeurs. Ils sont équipés d’un système d’alignement et de nivellement à distance, qui aide à réduire la dose de radiation reçue par les équipes lors des interventions. Des outils de connexion intégrés permettent de connecter et déconnecter les brides des collimateurs plus facilement. Enfin, des pompes ioniques assurent une très grande qualité de vide, car les collimateurs, proches des faisceaux, opèrent bien sûr toujours dans le vide et ne doivent en aucun cas perturber la circulation des faisceaux. »
Les derniers tests ont été réalisés avec succès en décembre dernier. La production en série pour ces deux nouveaux collimateurs devrait démarrer cette année. Douze de ces collimateurs doubles seront installés dans la machine au cours du troisième arrêt technique (LS3, 2026-2028).