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Dernières nouvelles du LHC : 100 fb-1 et c’est pas fini

Depuis sa mise en service en 2010, le LHC a fourni plus de 100 femtobarns inverses (fb-1) de luminosité intégrée à ATLAS comme à CMS

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Dernières nouvelles du LHC : 100 fb-1 et c’est pas fini

10 000 000 000 000 000 - dix millions de milliards, c'est le nombre cumulé de collisions potentielles au cœur d'ATLAS et de CMS depuis que le LHC a commencé à fonctionner en 2010. Dans leur jargon, les opérateurs du LHC disent que le LHC a fourni plus de 100 femtobarns inverses (fb-1) de luminosité intégrée à ATLAS comme à CMS. Un femtobarn inverse correspond à environ 100 millions de millions de collisions potentielles.

Ce seuil a été franchi le 28 septembre et ne prend en compte que les données enregistrées avec une configuration où les paquets de protons sont espacés de 25 nanosecondes.

Au fil des ans, le chiffre de la luminosité intégrée a fortement varié. En 2010, le fonctionnement du LHC avec faisceau a commencé tardivement dans l'année, et en 2011, les équipes ont dû apprendre à faire fonctionner une machine nouvelle et complexe. L'année 2012 fut à l'évidence une année de production de luminosité, récompensée par des résultats de physique impressionnants, notamment la découverte du boson de Higgs.

En 2013 et 2014, du fait du premier long arrêt (LS1), il n'y a eu pour ainsi dire aucune exploitation pour la physique avec protons, à l'exception de courtes périodes, début 2013, consacrées à une exploitation avec ions et à une exploitation proton-proton à des fins de référence.

Après d'importants travaux menés sur la machine pendant le LS1, le LHC a repris du service en 2015. Un temps conséquent aura été nécessaire pour valider tous les systèmes et remettre la machine en service avec faisceau, suivi d'une période d'exploitation pour la physique relativement brève. L'année 2016 fut également une année de production, durant laquelle la luminosité intégrée dépassa toutes les attentes. Après ce coup de maître, l'objectif a été porté à 90 fb-1 pour les années 2017 et 2018. Le 28 septembre, les efforts déployés ont permis de franchir la barre des 100 fb-1, un moment mémorable dans l'histoire du LHC jusqu’à aujourd’hui. 

Actuellement, le LHC est bien parti pour remplir ses objectifs en matière de luminosité, malgré les problèmes rencontrés avec la cellule 16L2. Du fait de ces difficultés, la luminosité de crête a été ramenée juste au niveau de sa valeur nominale de 1x1034 cm-2 s-1 ; toutefois, d'importants progrès ont été faits dans la compréhension du problème de la cellule 16L2. Au terme d'un effort conjugué de plusieurs groupes, de nouvelles méthodes ont été mises au point pour augmenter de nouveau la performance du faisceau sans devoir interrompre le cycle pour intervenir sur la cellule.

Le 5 septembre a été marqué par le passage à un faisceau de type « 8b4e » avec 1 916 paquets, le maximum possible dans cette configuration de faisceau.  Dans un deuxième temps, la densité des paquets a été portée de 1,1x1011 protons par paquet à près de 1,3x1011 protons par paquet. Ces deux mesures, associées à la diminution du bêta étoile, qui est passé de 40 cm à 30 cm, ont permis de porter de nouveau la luminosité de crête à 1,5x1034 cm-2s-1. Pendant ce temps, les injecteurs du LHC ont préparé une version à brillance élevée du faisceau 8b4e, avec 1,2x1011 protons par paquet pour une taille de faisceau plus petite d'environ 40 %. Ce faisceau a été injecté pour la première fois dans le LHC le 2 octobre, et, le jour suivant, il a presque égalé le record de luminosité de crête de 1,75x1034 cm-2s-1 établi le 9 août avec le faisceau en mode standard BCMS (« Bunch Compression Merging and Splitting »  compression, regroupement et division des lots) avec espacement de 25 ns.

Avec ces conditions de faisceau et une bonne disponibilité de la machine, l'objectif initial de 45 fb-1 pour 2017 est de nouveau à portée de main. La production de luminosité pour la physique avec protons  va se poursuivre jusqu'au lundi 20 novembre. Avant l'arrêt de maintenance hivernal, une période de développement machine et plusieurs exploitations spéciales pour la physique seront menées, après leur approbation par le conseil de recherche.