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Dernières nouvelles du LHC : objectif luminosité

La montée en intensité des faisceaux du LHC a repris vendredi passé, une fois le système d’alimentation principal du PS remis en service

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LHC Report: focus on luminosity

Ce diagramme montre les derniers 24 heures du remplissage #4947 du LHC. Les opérateurs du LHC ont gardé ces faisceaux dans la machine pendant un temps record de 35 heures et demi.

Les faisceaux sont de retour dans le LHC. La montée en intensité a repris vendredi dans l’accélérateur, et le nombre de paquets par faisceau a atteint 1 752 le week-end passé. La montée en intensité avait été interrompue le 20 mai en raison d’un problème sur le système d’alimentation principal du PS (voir encadré).

Une augmentation progressive du nombre total de paquets par faisceau est nécessaire pour vérifier tous les aspects de l’exploitation avec faisceau et assurer la sécurité totale du LHC avant la mise en collision de faisceaux contenant le nombre de paquets nominal.

Quatre étapes de montée en intensité ont été franchies jusqu’ici : 313, 601, 889 et 1 177 paquets par faisceau. La qualification de l’étape suivante, avec 1 752 paquets par faisceau, est en cours. Pour chaque étape, la qualification pour la protection de la machine exige que plus de 20 heures avec des faisceaux stables soient totalisées. Lors des dernières opérations déjà, des signes de possibles effets des nuages d’électrons sont apparus, avec une signature typique : l’étalement des paquets situés à la fin des trains de 72 paquets.

Les temps de vie des faisceaux et la luminosité sont en revanche remarquables : pendant le dernier remplissage du LHC avant l’arrêt dû au problème d’alimentation du PS, les faisceaux contenaient 1 177 paquets chacun et sont restés stables pendant 35,5 heures, un record. La luminosité de crête atteinte au début de la circulation de ces faisceaux stables était de 3,6 x 1033 cm-2 s-1. La luminosité intégrée, 272 picobarns inverses, représente environ un quart de la luminosité totale fournie par le LHC depuis début 2016.

Les lundi 17 et mardi 18 mai ont été consacrés à établir l’échelle absolue de la luminosité à 13 TeV. La luminosité d’un collisionneur est un paramètre très important, car la précision obtenue dans la mesure de la section efficace de production pour un processus de physique donné dépend fortement de la précision de la mesure de la luminosité. La luminosité est également le critère utilisé pour évaluer jour après jour l’efficacité du fonctionnement du collisionneur.

Il faut une optique et des paramètres de faisceau bien particuliers pour réaliser cette opération ; ces deux éléments sont réglés de façon à réduire le plus possible l’incertitude lors de la mesure. La méthode est relativement simple et très ancienne : suivant une technique développée par Simon van der Meer en 1968, auprès des Anneaux de stockage à intersections du CERN, la cadence des collisions proton-proton inélastiques est enregistrée par des détecteurs de luminosité spécifiques auprès des expériences, pendant que les faisceaux sont déplacés de manière à se croiser, d’abord horizontalement puis verticalement. Ce « balayage VdM » fournit une mesure de la zone où les faisceaux se recoupent, laquelle est proportionnelle à la dimension transversale des faisceaux, premier ingrédient nécessaire pour résoudre l’équation de la luminosité. Le second ingrédient essentiel est la mesure précise, réalisée simultanément, de l’intensité des courants de paquets dans le LHC, mesure effectuée au moyen de différents dispositifs de la machine et des expériences. Ces données, combinées avec le nombre total de paquets par faisceau, permettent d’obtenir un étalonnage direct des détecteurs de luminosité des expériences en un moment précis.  

Le premier remplissage en vue du « balayage VdM », qui a duré un peu plus de neuf heures, a été consacré à l’étalonnage de la luminosité d’ALICE, puis de LHCb. Le deuxième remplissage, qui a duré sept heures, a permis l’étalonnage de la luminosité d’ATLAS. L’étalonnage de la luminosité de CMS s’est terminé vendredi passé.

Avec le retour des faisceaux du PS jeudi passé, la première étape, pour le LHC, a consisté en deux remplissages de requalification à faible intensité. Après ces remplissages, l’étalonnage de la luminosité de CMS a été achevé rapidement, et la montée en intensité a repris. Le LHC fonctionne à présent avec 1 752 paquets par faisceau, et un pic de luminosité de 5,3 x 1033 cm-2s-1 a été obtenu pendant le week-end, où les opérations ont été interrompues par l’orage. La luminosité intégrée pour l’année en cours a maintenant, grâce aux efforts déployés, passé la barre d’un femtobarn inverse.


Le PS, le POPS et la machine tournante

L’alimentation des principaux aimants du PS constitue un vrai défi. La puissance transmise aux aimants est de ±40 MW, avec une cadence de répétition de 2,4 secondes. Le signe «-» est important : lors de la redescente après le fonctionnement à l’énergie maximale, il faut bien faire quelque chose de l’énergie magnétique stockée. Jusqu’en 2011, la solution était apportée par la fameuse machine tournante – une génératrice qui stockait l’énergie dans un volant pendant la descente en intensité, puis la rendait à nouveau disponible pendant la « remontée ». La solution moderne est le POPS ; c’est ce dispositif - de grandes batteries de condensateurs logées dans des enceintes - qui assure le mécanisme de stockage de l’énergie. Il faut garder à l’esprit que le PS exécute environ 15 millions de cycles par année !

Le 27 avril, le POPS a subi un court-circuit dans l’une des six enceintes de condensateurs. Dans l’attente de la réparation du dispositif, le PS a rapidement été relié à la machine tournante, utilisée comme dispositif de secours, et a fonctionné normalement jusqu’au 20 mai, date à laquelle une anomalie d’un sectionneur l’a rendu inutilisable pendant deux semaines. L’équipe chargée des convertisseurs de puissance, qui s’occupait d’analyser et de réparer le problème du POPS ainsi que d’atténuer ses effets, a dû exécuter un programme d’urgence de mesures visant à remettre en opération le POPS aussi rapidement que possible et en toute sécurité, ce qui a été fait jeudi 26 mai.