Le câblage pour la mise à niveau du LHC est terminé

May 30, 2023

Pour mieux comprendre le fonctionnement de notre univers, les chercheurs améliorent l'accélérateur de particules le plus puissant au monde : le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Aujourd'hui, une équipe du Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab) a franchi une étape cruciale dans la mise à niveau, transformant plus de 2 220 km (1 367 miles) de fils en câbles pour la prochaine génération d'aimants de focalisation du LHC.

Les aimants seront les plus puissants de leur catégorie et augmenteront considérablement le nombre de collisions dans les deux détecteurs à usage général du LHC, ATLAS et CMS. Plus de collisions produisent plus de données, ce qui signifie que les scientifiques peuvent mieux rechercher des phénomènes rares et non découverts et enquêter sur certains des plus grands mystères de la physique, comme l'origine de la masse et la nature de la matière noire et de l'énergie noire.

« Les aimants supraconducteurs permettent la science produite au LHC, et nous disposons d'une équipe multi-laboratoires exceptionnelle qui repousse les frontières de la technologie des aimants », a déclaré Soren Prestemon, directeur du Berkeley Center for Magnet Technology. "Pour la première fois, nous utiliserons les propriétés extraordinaires du supraconducteur niobium-étain dans un collisionneur opérationnel."

La première étape dans la fabrication de ces aimants consiste à transformer le fil supraconducteur en câbles qui peuvent ensuite être enroulés en bobines magnétiques. Mais fabriquer ces câbles n’est pas une mince affaire. Chacun des 111 câbles est une pièce unique et continue réalisée en enroulant 40 brins de fil individuels autour d'une âme en acier inoxydable. Si même un fil en croisait un autre n’importe où sur toute sa longueur – généralement 470 mètres – le câble serait endommagé. Cet effort a nécessité la collaboration d'experts de la division ATAP (Accelerator Technology & Applied Physics) et de la division Engineering du Berkeley Lab.

"Nous sommes comme le directeur d'une compagnie de ballet", a déclaré Ian Pong, un scientifique de l'ATAP qui dirige le travail de câblage. « Nous avons 40 danseurs – les bobines de fil – qui font des pirouettes en cercle pendant environ trois heures, et notre responsabilité est de veiller à ce qu’aucun pas manqué ne se produise pendant toute la représentation. »

La fabrication des câbles fait partie du projet de mise à niveau de l'accélérateur (AUP), la contribution américaine au projet LHC à haute luminosité (HL-LHC). Quatre institutions collaborent pour concevoir, produire et tester les aimants de l'AUP : le Berkeley Lab, le Brookhaven National Laboratory, le National High Magnetic Field Laboratory de la Florida State University et le Fermi National Accelerator Laboratory, qui dirige le projet.

"Bien que chaque étape du processus de construction de l'aimant soit d'égale importance, aucune des autres étapes ne peut avoir lieu sans disposer au préalable de câbles supraconducteurs de haute qualité", a déclaré Mike Naus, associé en ingénierie scientifique à l'ATAP et chef de projet adjoint.

Depuis 2016, le Berkeley Lab enroule des câbles AUP et les envoie dans un voyage de plusieurs mois pour devenir des aimants. Les câbles sont enroulés et traités thermiquement aux laboratoires Brookhaven et Fermi avant de retourner au laboratoire de Berkeley, où quatre bobines sont assemblées en aimants appelés quadripôles. Au Laboratoire Fermi, les quadripôles sont assemblés dans des « cryo-assemblages » qui sont testés et expédiés au CERN, où ils seront installés lors d'un long arrêt du LHC plus tard cette décennie.

"Il s'agit d'équipements de très haute technologie qui impliquent des personnes de partout aux États-Unis", a déclaré Jean-François Croteau, chercheur postdoctoral à l'ATAP qui a travaillé sur l'assurance qualité des câbles. "C'est impressionnant d'avoir tous ces laboratoires impliqués pour créer quelque chose qu'aucun d'entre eux ne pourrait réaliser seul."

La fabrication des nouveaux aimants en niobium-étain permet d'obtenir des champs magnétiques plus importants que ceux des aimants précédents en niobium-titane. Les aimants fonctionneront à environ 12 tesla, soit plusieurs centaines de milliers de fois plus puissants que le champ magnétique terrestre. Ils fonctionneront de concert avec une version plus longue des aimants quadripolaires actuellement produits au CERN (où l'enroulement du câble supraconducteur est terminé à 70 %).

Ensemble, les aimants de focalisation regrouperont les faisceaux de particules du LHC en paquets denses, augmentant ainsi les chances d'interaction des particules. Une fois modernisé, le LHC à haute luminosité sera capable de produire entre 5 et 7,5 milliards de collisions de protons par seconde (contre 1 milliard actuellement), et les scientifiques s'attendent à produire au moins 15 millions de bosons de Higgs par an.