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

Le LHC à haute luminosité (HL-LHC), qui devrait entrer en service après 2027, 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 câbles supraconducteurs destinés au LHC à haute luminosité. (Image : Julien Ordan/CERN)

Accroître la luminosité suppose d’augmenter le nombre de collisions. L'objectif est de produire 140 collisions à chaque fois que les 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 et disparaissent. Dans le LHC à haute luminosité, la focalisation des faisceaux (leur concentration avant l’impact) sera adaptée pour que le nombre de collisions 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 ainsi à augmenter la probabilité de collisions. Seize cavités-crabe seront installées de chaque côté 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 – 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.

Des aimants de courbure plus compacts et plus puissants

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Test d’un prototype de bobine de dipôle pour le 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 deux collimateurs. Ces nouveaux aimants dipôles seront plus puissants car ils doivent incurver la trajectoire des protons sur 11 mètres au lieu de 15. Formés eux aussi à partir 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 liaisons 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, 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 d’accélération rénovée

Linac 4
L'accélérateur Linac4. (Image : Maximilien Brice/CERN)

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 est en cours d’amélioration dans le cadre du projet LIU (amélioration des injecteurs du LHC). Une amélioration majeure est intervenue en 2020 avec la mise en service d’un nouvel accélérateur linéaire, Linac4, le premier maillon de la chaîne, qui a remplacé Linac2. 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

Un puit d’environ 80 mètres de profondeur a été creusé sur les sites des expériences ATLAS et CMS, ainsi qu’une caverne souterraine et un tunnel de service d’une longueur de 300 mètres. Ce tunnel abritera les équipements 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. Il est en train d’être relié au tunnel du LHC par quatre tunnels de connexion. Cinq bâtiments de surface sont également en construction sur chaque site.
Pour en savoir plus sur les travaux de génie civil du LHC à haute luminosité, consultez cette page.