Le refroidissement stochastique, technique inventée par Simon van der Meer et développée au CERN au début des années 1970, vise à réduire la largeur et la distribution en énergie d’un faisceau de particules chargées. Au cours de ce processus, les particules sont « comprimées » dans un faisceau plus fin avec des énergies moins dispersées. En augmentant la densité de particules proche de l’énergie souhaitée, cette technique a amélioré la qualité du faisceau produit et a entre autres, rendu possible l’accès au boson W.

Organisation et chute du thermomètre

Par analogie à la théorie cinétique des gaz, où la chaleur est équivalente au désordre, le terme “refroidissement” désigne ici la diminution du désordre dans le faisceau. Le refroidissement stochastique veille à réduire les amplitudes du mouvement des particules du faisceau pour les contenir dans un espace restreint et maintenir leurs énergies proches d’une valeur moyenne. Les particules sont mieux organisées, le faisceau est refroidi.

Rétroaction et corrections

Le refroidissement stochastique est un système rétroactif composé de deux éléments : un détecteur ou pick-up chargé de mesurer le mouvement des particules et un correcteur, le kicker, qui en modifie l’angle. Quand le faisceau passe devant le pick-up, ce dernier mesure l’écart du centre de gravité d’un échantillon du faisceau par rapport à l’orbite souhaitée. Ensuite il envoie ce signal d’erreur au kicker qui, plus loin sur le parcours, applique à ce même échantillon, un champ électrique pour corriger l’écart mesuré (voir schéma).

De particule en particule…

Stochastique signifiant aléatoire, contrairement à la majorité des systèmes rétroactifs utilisés dans les accélérateurs, l’installation de refroidissement stochastique ne considère pas le faisceau comme un tout mais comme la somme de particules individuelles munies de caractéristiques propres. Ce système ne peut pas corriger les écarts de chaque particule en un seul essai, mais après un temps suffisant et plusieurs passages dans l’appareil, l’orbite de chaque particule va se centrer autour de l’orbite choisie. Le faisceau s’affine et se densifie : il est refroidi !