Completion of HL-LHC civil engineering at P1
Civil engineering is completed for HL-LHC (HiLumi) project at Point 1. CERN's HiLumi is the High Luminosity LHC Project aiming to increase the collision rate as to maximise physics data taking of its detectors. The civil-engineering work started in April 2018. (Image: CERN)

Le HL-LHC

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Un modèle d’aimant HL-LHC (Image : Miguel Mendes/CERN)

Le projet de Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC) vise à pousser les performances du LHC à leur maximum pour augmenter le potentiel de découvertes après 2029. L’objectif est de relever la luminosité intégrée du LHC d’un facteur dix par rapport à sa valeur nominale initiale.

La luminosité est un indicateur important de la performance d’un accélérateur : elle est proportionnelle au nombre de collisions se produisant en un temps donné. Plus la luminosité est élevée, plus les expériences récoltent de données ; elles ont ainsi davantage de possibilités d’observer des processus rares.

Le LHC à haute luminosité permettra aux physiciens d’étudier plus en détail des mécanismes connus, tels que le boson de Higgs, et d’observer d’éventuels nouveaux phénomènes rares. Par exemple, le LHC à haute luminosité produira chaque année au moins 15 millions de bosons de Higgs, contre environ trois millions pour le LHC en 2017.

Le HL-LHC repose sur des technologies novatrices, dont certaines ont déjà été installées pendant le deuxième long arrêt du CERN.

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Des travaux d’envergure sont nécessaires pour transformer la machine actuelle en LHC à haute luminosité ; certains ont déjà commencé et d’autres auront lieu au cours des prochaines années. (Image: CERN)

Innovations technologiques du HL-LHC

1. Aimants de focalisation

Pour réaliser le projet HL-LHC, il faudra remplacer plus d’un kilomètre de la machine LHC. Environ 100 aimants de 11 nouveaux types seront installés : quatre types d’aimants principaux (dipôles et quadripôles servant à incurver et focaliser le faisceau) et sept types d’aimants correcteurs.

En particulier, de nouveaux quadripôles, qui serviront à focaliser les faisceaux avant les collisions, seront installés dans les régions d’insertion, de part et d’autre des détecteurs ATLAS et CMS. Ces aimants utiliseront une technologie-clé innovante qui permet d’atteindre des champs magnétiques pouvant aller jusqu’à 12 teslas. Ils seront construits en niobium-étain (Nb3Sn), matériau supraconducteur innovant, et reposeront sur une conception unique, grâce à laquelle la puissance de crête du champ magnétique peut être supérieure de 50 % à celle obtenue avec les aimants actuels du LHC.

2. Génie civil

Les travaux de génie civil du HL-LHC se sont concentrés autour des points 1 (ATLAS) et 5 (CMS) du LHC. C’est au niveau de ces deux expériences que la plupart des équipements requis pour accroître la luminosité du LHC seront installés.

Sur chacun de ces deux sites, les installations souterraines consistent en un puits d’environ 80 mètres de profondeur, un hall de service qui accueillera entre autres les équipements cryogéniques, un tunnel de 300 mètres de long pour les équipements électriques, tels que les convertisseurs de puissance, et quatre tunnels de service de 50 mètres reliant les nouvelles structures au tunnel existant de l’accélérateur.

Ces quatre tunnels de service abriteront des équipements spécifiques permettant de relier les éléments de l’accélérateur aux infrastructures et aux services situés dans les nouvelles galeries du HL-LHC, tels que des lignes de transmission radiofréquence, des liaisons supraconductrices et des lignes cryogéniques.

Cinq bâtiments représentant une superficie totale de 2 800 m2 ont été construits en surface afin d’abriter l’infrastructure technique nécessaire, qui comprend les dispositifs de refroidissement, de ventilation et les équipements cryogéniques et électriques.

3. Cavités-crabe

Jamais utilisées auparavant dans un collisionneur de hadrons, 16 cavités-crabe compactes seront installées de part et d’autre d’ATLAS et de CMS pendant le troisième long arrêt, qui devrait débuter en 2026 et durer trois ans.

Les cavités-crabe radiofréquence supraconductrices permettent d’agrandir la surface de contact des paquets de protons entrants et, ainsi, d’augmenter le nombre de collisions. En contrôlant avec précision l’inclinaison des paquets au point de collision, elles permettront aux expériences d’exploiter au maximum le potentiel scientifique du HL-LHC.

4. Collimateurs à cristaux

Les collimateurs sont conçus pour absorber toutes les particules qui s’échappent de la trajectoire idéale du faisceau, empêchant les particules rebelles d’endommager des zones sensibles de l’accélérateur.

 

 

 

Au point 7 du LHC, un premier ensemble de TCPC (Target Collimator Primary Crystal) a été installé. Développé pour le projet HL-LHC, ce bijou du système de collimation constitue une alternative pour le nettoyage du faisceau, utilisant des cristaux courbes en silicium afin de dévier les particules du halo vers un absorbeur situé en aval.

C’est une technologie prometteuse pour la phase à haute luminosité du LHC. Jusqu’ici, des collimateurs à cristaux ont été installés dans le Supersynchrotron à protons (SPS) et dans le LHC, où ils ont été testés pendant les périodes de développement machine et se sont avérés très efficaces, en particulier pour l’exploitation avec des faisceaux d’ions lourds.

5. Collimateurs

Au fur et à mesure que le nombre de collisions augmentera dans le HL-LHC, celui d’éventuelles particules égarées augmentera également. Par conséquent, le système de collimation existant doit être renforcé.

Les collimateurs referment leurs mâchoires autour du faisceau pour intercepter et absorber les particules qui pourraient s’éloigner de la trajectoire idéale du faisceau et interférer avec le fonctionnement d’éléments sensibles. Les matériaux qui composent ces mâchoires sont capables de résister à des conditions de pression et de température extrêmes, ainsi qu’à des niveaux élevés de radiation.

Pendant le deuxième long arrêt du CERN, 16 nouveaux collimateurs de différents types ont été installés au LHC : quatre collimateurs primaires, huit collimateurs secondaires et deux absorbeurs passifs à ouverture fixe. Tous sont équipés de nouveaux capteurs qui contrôlent la position du faisceau, ce qui permet d’ajuster la position des mâchoires rapidement et avec précision. La conception des nouveaux collimateurs primaires et secondaires repose sur un composite molybdène-graphite, matériaux qui contribuera à améliorer la stabilité des faisceaux de plus haute intensité du HL-LHC.

6. Liaisons supraconductrices

Le futur HL-LHC aura recours à des aimants produisant des champs magnétiques et utilisant des courants d’une intensité inédite. Aussi, des liaisons supraconductrices seront-elles utilisées dans le système de transport d’électricité pour les alimenter. 

Une machine de câblage de pointe a été mise au point au CERN pour produire les composants de ces liaisons supraconductrices à partir d’un matériau supraconducteur à haute température innovant appelé MgB2. Le terme « haute température » est relatif, car la température à laquelle ces liaisons supraconductrices peuvent transporter le courant est de 77 kelvins (-196°C), alors que la température nominale de fonctionnement des aimants du LHC est actuellement de 1,9 K (-272°C).

Les éléments supraconducteurs à haute température pourraient révolutionner la technologie des accélérateurs, mais également d’autres domaines, tels que la médecine, les trains à sustentation magnétique, les voyages dans l’espace ou l’énergie de fusion.