Première mondiale : des protons qui avancent en crabe

May 29, 2018

Des « cavités-crabe », utilisées pour modifier l’orientation des paquets de protons dans le faisceau, ont été testées avec succès le 23 mai dernier – une première mondiale. Le test a eu lieu avec un faisceau du SPS et a montré que les paquets de protons pouvaient être inclinés au moyen de ces cavités radiofréquence supraconductrices générant un champ transverse. Ces cavités sont des pièces importantes pour le LHC à haute luminosité, qui sera mis en service après 2025 et permettra d'augmenter la luminosité du LHC d’un facteur de cinq à dix.

Dans le LHC, les paquets de particules se rencontrent avec un petit angle de croisement à chaque point de collision, au cœur des expériences. Une fois qu’elles seront installées en amont et en aval des expériences ATLAS et CMS, les cavités-crabe « inclineront » les paquets de protons de chaque faisceau, de manière à maximiser leur zone de recoupement au point de collision. De cette manière, chaque proton contenu dans le paquet sera forcé de passer à travers toute la longueur du paquet opposé, ce qui augmente la probabilité des collisions, et donc la luminosité. Une fois inclinés, les paquets de protons semblent se déplacer latéralement – comme le ferait un crabe. Des cavités-crabe ont déjà été utilisées dans le collisionneur KEKB au Japon, avec des électrons et des positons, mais jamais avec des protons, qui sont plus massifs et atteignent des énergies largement plus élevées. « Les cavités-crabe pourront augmenter la luminosité, dans l’ensemble, de 15 à 20 % », indique Rama Calaga, qui dirige le projet des cavités-crabe.

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Le premier prototype de cavité-crabe a été assemblé durant l'été 2017 (Image: Julien Ordan/CERN)

Les deux premiers prototypes de cavités-crabe ont été fabriqués au CERN en 2017, en collaboration avec l’Université de Lancaster et le STFC (Science and Technology Facilities Council) au Royaume-Uni, ainsi qu’avec le programme LARP (LHC Accelerator Research Program) aux États-Unis. Les cavités ont été assemblées dans un cryostat, puis testées, au CERN. Composées d’un matériau supraconducteur en niobium d’une grande pureté, elles fonctionnent à 2 kelvins (-271 °C) et génèrent un voltage transverse très élevé, de 3,4 millions de volts. Les cavités ont été installées dans l’accélérateur SPS pendant le dernier arrêt technique hivernal afin de subir des tests de validation avec des faisceaux de protons.

Les premiers tests avec faisceaux, qui ont eu lieu le 23 mai, ont duré plus de cinq heures. Ils se sont déroulés à une température de 4,2 K, avec un unique paquet de protons accéléré à 26 GeV et contenant entre 20 et 80 milliards de protons, ce qui correspond presque à l’intensité des paquets du LHC. Les cavités-crabe ont été mises sous tension à environ 10 % de leur voltage nominal. La « progression en crabe » a été suivie au moyen d’un moniteur spécial, permettant d’observer l’inclinaison sur toute la longueur du paquet.  « Ces tests marquent le début du fonctionnement d’une installation exceptionnelle pour le test des cavités supraconductrices avec un faisceau de protons de haute énergie et un courant élevé, explique Lucio Rossi, chef du projet HL-LHC. Les résultats sont impressionnants et cruciaux pour prouver qu’il est faisable d’utiliser ces cavités pour faire augmenter la luminosité dans le LHC. »

Dans les mois à venir, les cavités seront mises en service à leur voltage nominal de 3,4 millions de volts, et elles subiront une série de tests afin de valider entièrement leur fonctionnement en vue de l’ère du HL-LHC. Au total, 16 cavités-crabe seront installées dans le HL-LHC : huit à proximité d’ATLAS et huit à proximité de CMS. 


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