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

Le LHC haute luminosité, qui entrera en service après 2025, multipliera par dix la luminosité du LHC. Pour mener à bien cette amélioration majeure, les scientifiques et les ingénieurs optimisent tous les paramètres du collisionneur. De nombreux équipements, dont certains totalement innovants, sont développés.

Des aimants de focalisation plus puissants

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Fabrication de câble supraconducteur pour le LHC à haute luminosité. (Image : Julien Ordan/CERN)

Accroître la luminosité suppose d’augmenter le nombre de collisions : au moins 140 collisions se produiront à chaque fois que les paquets de particules se croiseront au cœur des détecteurs ATLAS et CMS, contre environ 40 actuellement. Pour y parvenir, le faisceau devra être plus intense et plus concentré que celui du LHC. Pour ce faire, de nouveaux aimants quadripôles supraconducteurs plus puissants seront installés de part et d’autre des expériences ATLAS et CMS. Ils concentreront les paquets de particules avant leur croisement. Formés d’un composé supraconducteur niobium-étain, ils génèrent un champ magnétique de 12 teslas contre 8 teslas pour les aimants actuels du LHC qui utilisent l'alliage supraconducteur niobium-titane. Douze aimants de ce type, seront installés de part et d'autre de chaque détecteur. 

Une optique de faisceau inédite

L'un des défis sera de 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 et disparaissent. Dans le LHC haute luminosité, la focalisation des faisceaux (leur concentration avant l’impact) sera adaptée pour que le nombre de collision reste constant.

Des « cavités-crabe » pour orienter les faisceaux

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Assemblage de la première cavité-crabe. (Image : Julien Ordan/CERN)

Ces équipements supraconducteurs novateurs donneront une impulsion transversale aux paquets de particules avant qu’ils ne se croisent de manière à élargir la surface de recouvrement de deux paquets et donc augmenter la probabilité de collisions. Seize cavités-crabe seront installées de part et d’autre de chacune des expériences ATLAS et CMS.

La protection de la machine renforcée

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Un collimateur du LHC. (Image : Claudia Marcelloni/CERN)

Les faisceaux contenant plus de particules, la protection de la machine doit être renforcée. Cette protection repose sur des collimateurs : ces équipements absorbent les particules qui s’éloignent de la trajectoire du faisceau et qui pourraient, sinon, endommager la machine. De nouveaux collimateurs, à base 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.

Des aimants de courbure plus compacts et plus puissants

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Test d'un prototype de bobine pour un aimant dipôle du LHC à haute luminosité. (Image : Robert Hradil, Monika Majer/ProStudio22.ch)

L’anneau du LHC est déjà rempli d’équipements. Pour pouvoir insérer des collimateurs supplémentaires, deux aimants dipôles de 15 mètres de long seront remplacés par deux paires d’aimants plus courts (5,5 mètres chacun) et quatre collimateurs. Ces nouveaux aimants dipôles sont plus puissants car ils doivent incurver la trajectoire des protons sur 11 mètres au lieu de 15. Également à base du composé supraconducteur intermétallique niobium-étain, ils généreront un champ magnétique d’une intensité de 11 teslas, contre 8.3 teslas pour les aimants dipôles actuels.

Des liaisons supraconductrices innovantes

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

Une chaîne d’accélération rénovée

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L'accélérateur Linac 4. (Image : Maximilien Brice/CERN)

Les performances du HL-LHC reposent aussi 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 est en cours d’amélioration dans le cadre du projet LIU (Amélioration des injecteurs du LHC). Une amélioration majeure interviendra en 2020 avec la mise en service d’un nouvel accélérateur linéaire, le Linac 4, premier maillon de la chaîne, pour remplacer l’actuel Linac2. Des améliorations sont également prévues sur le Booster du PS, le PS, et le SPS, les trois autres maillons de la chaîne d’accélération.

D'importants travaux de génie civil

Un puits d’environ 80 mètres sera creusé sur les sites d'ATLAS et de CMS, ainsi qu’une caverne souterraine et une longue galerie de 300 mètres de long. Ces galeries abriteront les équipements particulièrement sensibles aux radiations, comme les convertisseurs de puissance, qui transforment le courant alternatif du réseau électrique en courant continu pour les aimants. Elles seront reliées au tunnel du LHC par quatre tunnels de connexion. Cinq bâtiments de surface seront construits sur chaque site.
Pour plus d'informations sur les travaux de génie civil du LHC à haute luminosité consultez cette page.