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[Photo tech] L’accélérateur de particules du CERN fait peau neuve

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Par publié le à 08h30

[Photo tech] L’accélérateur de particules du CERN fait peau neuve

Des travaux commencent ce mois-ci à l'accélérateur de particules (LHC) du CERN, pour multiplier par sept ses performances en huit ans. Détecteurs ultraprécis, cartes électroniques surpuissantes, équipements supraconducteurs novateurs permettront d'améliorer les performances de cet équipement dédié à la recherche de nouvelles particules prévues par la théorie mais jamais observées. Des progrès rendus possible par un partenariat avec l'industrie, dont pas moins de 200 entreprises françaises de toutes tailles.

Le CERN ne compte pas s’arrêter au boson de Higgs. Le plus puissant accélérateur de particules du monde, le LHC (Grand Collisionneur de Hadrons), est en travaux depuis ce mois-ci, jusqu’en 2026. Son exploitation sera maintenue, avec néanmoins de longs arrêts techniques. Une portion représentant un peu plus d’un kilomètre de l’anneau (de 27 kilomètres de circonférence) sera modifiée pour augmenter ses performances. La luminosité – nombre de collisions de particules par unité de surface et de temps – sera ainsi multiplié jusqu’à sept. Plus les particules s’entrechoquent, plus elle est élevée. Exploité pendant une dizaine d’années, le HL-LHC (LHC Haute Luminosité) permettra donc de collecter dix fois plus de données.

Cette montée en puissance est fondamentale pour les chercheurs, car les phénomènes qu’ils veulent observer ont une faible probabilité de se produire. « Aujourd’hui, les phénomènes qui nous entourent sont expliqués par le Modèle Standard de la physique des particules, sauf quelques exceptions comme la matière noire, qui représente pourtant 80 % de l’univers, détaille Didier Contardo, physicien des particules à l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon. Au HL-LHC, nous espérons étendre significativement notre connaissance des propriétés du boson de Higgs et observer pour la première fois de nouvelles particules prédites par d’autres modèles théoriques. » Un concentré de technologies permettra d’améliorer deux détecteurs (Atlas et CMS) et l’accélérateur.

Les détecteurs Atlas et CMS améliorés et plus résistants

Pour faire entrer les protons en collision, l’anneau du grand collisionneur est jalonné d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices, pour atteindre une vitesse proche de la lumière. Ils s’entrechoquent à quatre points d’interaction, créant de nouvelles particules, que les détecteurs enregistrent. Les améliorations concernent l’accélérateur, et les deux détecteurs Atlas et CMS. « Les changements sur l’accélérateur vont intervenir sur une section qui se situe à 200 mètres de part et d’autre des deux détecteurs, soit 1,2 kilomètre », détaille le physicien. Pour les deux détecteurs, gérés par le CEA et le CNRS/IN2P3, l’enjeu est de devoir gérer un flux plus important de données (140 à 200 collisions à chaque croisement de faisceau, au lieu des 40 actuelles) et de résister à des niveaux de radiations sans précédents. Pour cela, des cartes électroniques plus puissantes et de nouvelles fibres optiques seront installées. Les nouveaux détecteurs, très précis en temps, ajoutent une nouvelle dimension aux mesures : la granularité des trajectographes est augmentée, de nouveaux calorimètres basés sur des senseurs silicium seront intégrés au détecteur CMS. « Toutes ces améliorations bénéficient d’innovations technologiques qui n’existaient pas à l’époque de construction du LHC », confie Didier Contardo.

De nouveaux matériaux pour l'accélérateur

Du côté de l’accélérateur, les outils changent aussi. Des aimants permettent de concentrer les particules à l’approche du détecteur. « Nous allons les comprimer huit fois plus pour augmenter la luminosité », commente Isabel Bejar Alonso, coordinatrice technique du projet HL-LHC au CERN. Pour cela, 24 nouveaux aimants quadripôles supraconducteurs seront installés, formés d’un composé niobium-étain utilisé pour la première fois dans un accélérateur. L’alliage permettra également de construire deux aimants de courbure plus puissants (11 teslas contre 8,3 pour les aimants actuels). Seize cavités-crabe, des équipements supraconducteurs novateurs, vont dévier la trajectoire des protons. Des lignes électriques supraconductrices en diborure de magnésium, capables de transporter des courants jusqu’à 100 000 ampères, relieront les convertisseurs de puissance à l’accélérateur. Enfin, de nouveaux collimateurs, composés d’un alliage de carbure de molybdène-graphite, protégeront mieux la machine, et la chaine d’accélération sera rénovée. « Nous travaillons dans un environnement rempli de contraintes particulières (ndlr : radiations, température) : ce sont souvent les nouveaux matériaux développés par l’industrie qui nous font avancer », indique Isabel Bejar Alonso.

200 entreprises françaises dont 85% de PME

L’industrie est en effet fortement impliquée dans le projet de recherche international. « Il y a un cercle vertueux avec l’industrie, nous avons par exemple développé des câbles au CERN qui sont maintenant utilisés pour la radiothérapie », avoue la coordinatrice technique. En 2017, plus de 200 entreprises françaises ont travaillé pour le projet HL-LHC, dont 85% sont des PME. Dans les domaines de la cryogénie, des aimants, des équipements électroniques ou encore des matériaux résistants aux hautes températures, la collaboration avec les industriels est large. Les sociétés AMGE et Workshape fourniront par exemple une partie métallique en fibre de carbone du futur trajectrographe du CMS. « Nous collaborons également avec de grands industriels, comme Thales et General Electric pour les aimants, ou EDF et Air Liquide pour la cryogénie », témoigne Patrice Verdier, physicien coordinateur de l’ensemble des activités du CNRS au CERN. Sans compter les nombreux autres corps de métier comme dans le génie civil, puisque le chantier qui démarre, d’un budget de 950 millions de francs suisses, est colossal.

Pour découvrir les laboratoires et industries françaises impliqués dans LHC : www.lhc-france.fr


© Cyril Fresillon/LHC/CNRS Photothèque
Tunnel du LHC, un accélérateur de particules situé à la frontière franco-suisse. C’est le plus puissant accélérateur de particules au monde.


© Ordan Julien Marius/2018 CERN
Expérience sur les cavités-crabe, qui permettront de dévier le faisceau de protons.


© Brice Maximilien/2018 CERN
Installation d’un cryomodule de test pour les cavités-crabe dans le tunnel supersynchrotron à protons.


© Brice Maximilien/2018 CERN
Modèle de quadripôle en niobium-etain destiné au HL-LHC, préparé pour un test de cryogénie dans la salle de test des aimants du CERN.


© Brice Maximilien/2018 CERN
Nouvelles bobines longues pour les quadripôles en niobium-etain destinés au HL-LHC.


© Brice Maximilien & Ordan Julien Marius/2018 CERN
Installation d’un collimateur dans le tunnel du LHC en 2018.


© Ordan Julien Marius/2018 CERN
Le chantier de huit ans impliquera de nombreux travaux d’ingénierie civile : nouveaux bâtiments, puits, cavernes et galeries souterraines.

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