Dernières nouvelles du LHC : épluchage partiel pour les ions

Aug 14, 2018

Une semaine fructueuse de développement de la machine vient de se terminer pour le LHC. Toutes les machines du CERN font l’objet de ces périodes de développement machine, qui sont mises à profit pour réaliser des études pouvant couvrir un large éventail de domaines. Les études réalisées auprès du LHC ont porté sur des problèmes actuels, mais elles ont compris également des tests de futures configurations envisagées pour la troisième exploitation du LHC (2021-2023) et pour l’amélioration à haute luminosité (HL-LHC). Certains tests concernaient même un avenir plus lointain ; ils ont été réalisés dans le cadre des études en vue d’un futur collisionneur circulaire d’hadrons (FCC-hh) et des études sur la physique au-delà des collisionneurs.

L'un des éléments qui limite la performance du LHC est la charge thermique générée par les faisceaux, qui se dépose sur la surface du tube à vide et que l’on pense être due aux nuages d’électrons causés par la circulation de paquets rapprochés les uns des autres à l’intérieur du LHC. Cette chaleur doit donc être extraite par le système cryogénique, dont la capacité est limitée. Il faut savoir que dans certains des arcs du LHC (également appelés secteurs), la chaleur engendrée est plus de deux fois supérieure à celle générée dans les arcs les moins touchés par ce phénomène, un mystère qui n’a pas encore été résolu. Pendant cette période de développement de la machine, la charge thermique a par conséquent été mesurée soigneusement en fonction de l’intensité du faisceau, afin de comparer les résultats des mesures aux modèles théoriques. Elle a également été mesurée avec un seul faisceau dans le LHC, afin de déterminer la contribution de chacun des deux tubes à vide à la charge thermique.

Ce graphique montre la charge thermique dans chacun des huit arcs du LHC (en watts par 100 m de l’anneau du LHC). La charge thermique est mesurée avec un seul faisceau ou avec les deux faisceaux dans l’accélérateur ; il apparaît que la contribution de chacun des faisceaux à la charge thermique est semblable. Il y a quatre « bons » arcs (les secteurs 3-4, 4-5, 5-6 et 6-7), dont la charge thermique est faible, alors que dans les autres arcs la charge thermique atteint des valeurs jusqu’à deux fois plus élevées. (Image : Giovanni Ladarola, CERN)

En ce qui concerne les perspectives pour un avenir plus lointain, la compression télescopique achromatique (ATS), utilisée actuellement pour l’optique, a été testée dans de nouvelles configurations, qui pourraient être adoptées comme configurations de base pour la troisième exploitation. L’une des options testées stimule l’efficacité des aimants octopolaires du LHC, lesquels jouent un rôle crucial pour stabiliser les faisceaux de haute intensité. Le nombre de protons par paquet étant censé augmenter d’environ 50 % lors de la troisième exploitation, soit passer d’environ 120 milliards à environ 170 milliards par paquet, la configuration testée pourrait devenir un élément essentiel pour maîtriser les faisceaux intenses qui seront fournis par les injecteurs du LHC pendant la troisième exploitation.

Un autre test a également été réalisé dans le cadre de l’étude sur la physique au-delà des collisionneurs ; celui-là a consisté à accélérer jusqu’à une énergie de 6,5 TeV des ions plomb comportant encore un électron attaché à chaque noyau. En règle générale, les ions accélérés dans le LHC sont « épluchés » de tous leurs électrons : les derniers électrons sont retirés lorsque le faisceau traverse une feuille d’aluminium placée entre le PS et le SPS. Pour ce test, l’épaisseur de la feuille a été adaptée afin qu’un dernier électron reste attaché au noyau. Ces ions « partiellement épluchés » sont d’abord injectés puis accélérés dans le SPS, avant d’être envoyés dans le LHC. L’électron restant pouvant facilement être arraché lors d’interactions avec des molécules de gaz, la durée de vie de ces faisceaux dépend en grande partie des conditions du vide. Grâce aux excellentes conditions du vide dans le LHC, la durée de vie mesurée pendant le test a atteint 40 heures. Si les ions partiellement épluchés sont amenés à interagir avec un rayon laser de l’énergie appropriée, l’électron peut absorber un photon, puis le libérer plus tard. Dans ce processus, l’énergie du photon libéré est décuplée par l’impulsion élevée des ions circulant dans le LHC, ce qui entraîne la production d’un faisceau de rayons gamma de haute énergie. C’est sur ce phénomène que s’appuie l’idée d’une « usine à gamma », qui a ainsi franchi une première étape pendant cette semaine de développement de la machine. 


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