En période d’exploitation, chaque faisceau du LHC contient environ 2 500 paquets de particules contenant chacun quelque 100 milliards de protons : l'énergie contenue dans l’un de ces faisceaux est considérable, 320 mégajoules (MJ), l’équivalent d’un train TGV circulant à 150 km/h. Après l’arrêt technique en cours (LS2), lors de la troisième période d’exploitation du LHC (2022–2024), l’énergie atteindra 555 MJ.
Mais quand les faisceaux doivent être arrêtés, de telles énergies représentent un défi. « Pour arrêter un faisceau, nous dévions sa course vers un arrêt de faisceau, un dispositif qui absorbe les faisceaux de particules », explique Marco Calviani, chef de la section Cibles, collimateurs et absorbeurs au sein du département EN (groupe STI). « Dans le LHC, il y a un absorbeur externe pour chacun des deux faisceaux. Ils sont situés dans deux halls souterrains dédiés, au point 6 de l’accélérateur. »
Lors de la dernière période d’exploitation, la température interne maximale des absorbeurs grimpait jusqu’à 1000°C en à peine 100 microsecondes après chaque arrêt de faisceau. Après le LS2 et l’augmentation de l’intensité des faisceaux du LHC, la température pourra atteindre 1500°C. Pour endurer un tel régime, les arrêts de faisceaux du LHC sont composés d’un absorbeur en graphite de 8 mètres de long contenu dans un tube en acier inoxydable de 12 mm d’épaisseur. Le tout, qui est encaissé dans une structure de blindage en fer, pèse environ 7 tonnes et est rempli d’azote à l’état gazeux.
Mais après dix ans de bons et loyaux services, les absorbeurs du LHC montrent quelques signes de fatigue. « Nous avons détecté des fuites d’azote causées par les mouvements du tube en acier : à chaque impact de faisceau, le tube encaisse une bonne partie de l’énergie dégagée par la gerbe de particules, ce qui provoque une rapide dilatation thermique et des vibrations », explique Marco Calviani. « Des modélisations numériques comparées aux données instrumentales recueillies pendant la deuxième période d’exploitation nous ont permis de mieux comprendre le comportement de l’absorbeur lors des impacts et l’origine des vibrations. »
L’amélioration des arrêts de faisceaux du LHC a donc été ajoutée au menu du LS2. L’une des principales modifications apportées concerne le système de support de l’absorbeur, qui sera désormais suspendu à des câbles en acier haute résistance pour un meilleur amortissement. La ligne de transfert en provenance du LHC sera par ailleurs physiquement déconnectée de l’absorbeur – les faisceaux voyageront dans l’air sur une dizaine de mètres – pour éviter la propagation des mouvements de vibration dans le tube de faisceau placés sous ultravide en provenance de l’accélérateur. Les travaux d’amélioration incluent également l’installation de nouvelles « fenêtres » de faisceau en alliage de titane qui emprisonnent la partie en graphite de l’absorbeur dans son atmosphère d’azote.
Mais il y a un hic : après dix ans d’exploitation, les absorbeurs principaux du LHC affichent un niveau de radioactivité qui ne permet pas aux équipes de travailler à proximité pendant de longues périodes. « Comme nous ne pouvons pas intervenir sur les absorbeurs utilisés jusqu’ici, nous avons décidé d’améliorer les deux absorbeurs de remplacement, qui deviendront les absorbeurs principaux », indique Marco Calviani.
Les travaux d’amélioration ont commencé début février et devraient s’achever d’ici au mois d’août, à temps pour le début du refroidissement de l’accélérateur. Des instruments fixés sur les absorbeurs améliorés recueilleront des données pendant la prochaine période d’exploitation ; celles-ci aideront notamment à concevoir les absorbeurs du futur HL-LHC, qui devront absorber des faisceaux à une énergie de 710 MJ. « Ce travail ne serait pas possible sans l'engagement ferme de tous les groupes et départements impliqués parmi le secteur ATS et HSE », conclut Marco Calviani.