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Cavités-crabe : de premiers tests pleins de promesses

Les cavités-crabe, élément essentiel du projet LHC à haute luminosité (HL-LHC) ont subi de premiers tests. Les résultats sont remarquables

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Cavités-crabe : de premiers tests pleins de promesses

Première cavité-crabe en niobium assemblée pour le projet LHC à haute luminosité (HL-LHC) (Image : Ulysse, Fichet/CERN)

Le 27 février 2017 a été marqué par un nouveau succès pour l'avenir du Grand collisionneur de hadrons (LHC) alors que de premiers tests ont été réalisés sur un tout nouveau type de cavité radio-fréquence (RF) : les cavités-crabe. Ces éléments essentiels pour le LHC à haute luminosité (HL-LHC) — la future version améliorée du LHC — seront opérationnels à partir de 2025.

Construites à partir de feuilles de niobium d'une grande pureté, les cavités-crabe fonctionneront à 2 kelvins pour atteindre leur performance nominale. Contrairement aux cavités RF accélératrices situées au point 4 du LHC, les cavités-crabe donnent aux paquets de particules une impulsion transversale dépendante du temps dans un plan perpendiculaire à leur déplacement. La configuration actuelle des régions d'interaction du LHC, comme celle du futur HL-LHC, consiste en un angle de croisement intrinsèque auquel les faisceaux entrent en collision. Le fait de placer les cavités-crabe à proximité des régions d'interaction d'ATLAS et de CMS permet de faire pivoter les paquets autour de leur barycentre, et ainsi de porter au maximum leur superposition aux points de collision.

Pour l'instant, deux cavités-crabe supraconductrices ont été fabriquées au CERN. Des tests RF ont été réalisés à la température de fonctionnement des cavités (2 K) dans un bain d'hélium superfluide, dans l'installation d'essai SM18. Les premiers tests ont montré que la tension maximale qu'il était possible d'atteindre était supérieure à la tension transversale (5 MV), dépassant la tension d’exploitation nominale (3,4 MV). La tension transversale correspond à des champs électriques et magnétiques de surface extrêmement élevés : respectivement 57 MV/m et 104 mT.

D'ici à la fin de 2017, les deux cavités-crabe auront été insérées dans un cryomodule spécialement conçu à cet effet. Durant le prochain arrêt technique de fin d'année, le cryomodule sera installé dans le Supersynchrotron à protons (SPS), où il subira des tests de validation avec des faisceaux de protons. Ce sera la première fois qu'une cavité-crabe sera utilisée pour des faisceaux de protons. Au total, 16 cavités-crabe seront installées dans le LHC à haute luminosité : huit à proximité d'ATLAS et huit à proximité de CMS. « Les tests qui seront réalisés dans le SPS nous permettront de vérifier qu'il est possible d'injecter et d'accélérer des faisceaux de protons, et de produire des faisceaux de protons stables, lorsque les cavités-crabe sont en fonctionnementNous voulons agir sur les paramètres des cavités-crabe comme nous le ferions dans le LHC », explique Rama Calaga, physicien spécialiste des radiofréquences à l'origine de la technologie des cavités-crabe, actuellement responsable du lot de travaux sur ces éléments dans le cadre du projet HL-LHC.