Assembly of crab cavities
Assembly of the first two crab cavities for the High-Luminosity LHC (Image: CERN)

De nouvelles technologies pour le LHC à haute luminosité

De nouveaux équipements sont en cours d’installation sur 1,2 des 27 kilomètres du LHC

Le LHC à haute luminosité (HL-LHC), qui devrait être opérationnel à partir de 2030, multipliera par dix la luminosité intégrée par rapport à la performance nominale du LHC. Pour mener à bien cette amélioration majeure, les scientifiques et les ingénieurs optimisent de nombreux paramètres du collisionneur. De nouvelles technologies-clés, dont certaines totalement innovantes, sont développées dans le cadre du project.

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De nouvelles technologies pour le LHC à haute luminosité (HL-LHC) (Image: CERN)

 

Des aimants de focalisation plus puissants

Accroître la luminosité suppose d’augmenter le nombre de collisions. L'objectif est de produire 140 collisions à chaque fois que deux paquets de particules se croiseront au cœur des détecteurs ATLAS et CMS, contre 30 actuellement. Pour ce faire, le faisceau sera plus intense et plus concentré que celui du LHC. De nouveaux aimants quadripôles, plus puissants, générant un champ magnétique de 12 teslas (contre 8 teslas pour les aimants actuels du LHC), seront installés de part et d’autre des expériences ATLAS et CMS. Chaque détecteur sera encadré par douze de ces aimants, formés à partir d’un composé supraconducteur intermétallique de niobium et d’étain. Les aimants actuels du LHC utilisent un alliage niobium-titane. 

Une optique de faisceau inédite

L'un des défis consistera à maintenir la luminosité à un niveau constant pendant toute la durée de vie du faisceau. Actuellement, elle décroît à mesure que les protons entrent en collision. Dans le LHC à haute luminosité, la focalisation des faisceaux (la concentration des paquets juste avant l’impact) sera adaptée pour que le nombre de collisions reste à une valeur constante pour l’essentiel du cycle pour la physique.

Des « cavités-crabe » pour orienter les faisceaux

Les cavités-crabe impriment des déflexions, à l’avant et à l’arrière des paquets de particules, laissant la trajectoire inchangée au centre du paquet. Cela permet une meilleure superposition des paquets une fois que les faisceaux ont obtenu un angle de croisement au point d'interaction. Seize cavités-crabe seront installées à proximité des expériences ATLAS et CMS.

La protection de la machine renforcée

Les faisceaux contiendront plus de particules ; la protection de la machine doit donc être renforcée. Cette protection repose sur des collimateurs – des équipements absorbant les particules qui s’éloignent de la trajectoire du faisceau et qui pourraient, sinon, endommager la machine. De nouveaux collimateurs, faits d’un matériau qui engendre moins de perturbations électromagnétiques sur le faisceau, et dotés d’une nouvelle instrumentation, sont en cours de développement. Une soixantaine des 118 collimateurs existants seront remplacés par ces nouveaux collimateurs, et 15 à 20 collimateurs seront ajoutés. En outre, il sera nécessaire de mettre à niveau les systèmes actifs de protection de la machine, afin de permettre la détection en temps voulu d'éventuelles défaillances et l'élimination en toute sécurité des faisceaux de protons sur un bloc absorbeur en carbone.

Des collimateurs à cristaux pour un nettoyage plus efficace

Les fortes intensités de faisceau imposeront des contraintes supplémentaires au système de collimation protégeant les éléments supraconducteurs contre les transitions résistives. Pour la première fois dans un accélérateur, des collimateurs à cristaux seront utilisés en fonctionnement courant pour atténuer les pertes de collimation sur les faisceaux d'ions lourds, en l'absence des aimants dipolaires de 11 teslas, dont l'installation a été repoussée jusqu’à après le deuxième long arrêt (LS2). Dans ce système de collimation, des cristaux courbés de 4 mm de long sont utilisés comme collimateurs principaux, à la place des mâchoires en graphite, pour dévier les particules du halo du faisceau vers un absorbeur secondaire.

Des liaisons supraconductrices innovantes

Des liaisons électriques supraconductrices innovantes relieront les convertisseurs de puissance aux nouveaux aimants de l’accélérateur. Ces câbles, d’une centaine de mètres de long, sont formés d’un matériau supraconducteur, le diborure de magnésium, fonctionnant à plus haute température que celui des aimants. Ils pourront transporter des courants avec des intensités records, jusqu’à 100 000 ampères !

Une chaîne rénovée d'injection pour le LHC

Les performances du LHC et de son successeur, le LHC à haute luminosité, reposent sur la chaîne d’injecteurs ̶ les quatre accélérateurs qui pré-accélèrent les faisceaux avant de les envoyer dans l’anneau de 27 kilomètres. Cette chaîne d’accélérateurs a été mise à niveau dans le cadre du projet LIU (amélioration des injecteurs du LHC). Une amélioration majeure a eu lieu en 2020 avec la mise en service d’un nouvel accélérateur linéaire, Linac 4, le premier maillon de la chaîne, qui a remplacé le Linac 2. Des améliorations ont également été apportées au Booster du Synchrotron à protons, au Synchrotron à protons et au Supersynchrotron à protons, les trois autres maillons de la chaîne d’accélération.

Travaux de génie civil

Des puits d’environ 80 mètres de profondeur ont été creusés sur les sites des expériences ATLAS et CMS, ainsi que des cavernes souterraines et des galeries de service d’une longueur de 300 mètres. Ces galeries abriteront des équipements annexes des accélérateurs et des infrastructures particulièrement sensibles aux radiations, comme les convertisseurs de puissance, qui transforment le courant alternatif du réseau électrique en courant continu de forte intensité pour les aimants.Cinq bâtiments de surface ont également été construits sur chaque site.
Pour en savoir plus sur les travaux de génie civil du LHC à haute luminosité, consultez cette page.