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Posté par Michel le Lundi 03/12/2012 à 00:00
Des cristaux dans le LHC
Des cristaux courbés peuvent servir à dévier des faisceaux de particules chargées. Leur utilisation dans des accélérateurs de haute énergie est à l'étude depuis une quarantaine d'années. Récemment, un cristal courbé a été irradié pour la première fois dans l'installation HiRadMat par un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) de particules extrêmement élevé, auquel des cristaux devront pouvoir résister dans le LHC. Les résultats sont très encourageants et ont confirmé que cette technique pourrait jouer un grand rôle pour optimiser la collimation du faisceau dans le cadre des futures améliorations de la machine.

Du fait de leurs interactions avec le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition...), les particules chargées peuvent se trouver piégées et canalisées entre les plans d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...) cristallin, dont elles suivent alors la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet...) (voir en fin de texte). L'idée d'utiliser des cristaux courbés pour manipuler le faisceau dans les accélérateurs de particules a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) de nombreuses études. Au cours des trois dernières décennies, beaucoup de résultats expérimentaux ont contribué à étendre nos connaissances et à améliorer nos compétences en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) des interactions cristal-particules.


Un cristal courbé testé avec un laser dans le cadre de l'expérience UA9

Dans les collisionneurs de hadrons modernes tels que le LHC, le halo de particules entourant le cœur du faisceau peut entraîner des pertes représentant une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) importante dans des zones sensibles de l'accélérateur, pertes susceptibles de compromettre la stabilité de l'exploitation et la protection de la machine. Des systèmes de collimation à plusieurs étages sont ainsi utilisés pour les absorber. Selon les explications de Walter Scandale, le porte-parole d'UA9, "l'expérience UA9, financée par le CERN, l'INFN, l'Imperial College, le LAL, le PNPI, l'IHEP et le JINR, a été mise sur pied en 2008 pour examiner les avantages que présente l'utilisation des cristaux courbés dans les systèmes de collimation des collisionneurs de hadrons de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Un cristal courbé remplaçant le collimateur (Un collimateur est un dispositif optique permettant d'obtenir un faisceau de rayons de lumière parallèles à partir d'une source de lumière. Ce mot vient du latin collimatio ("ajuster ou viser en ligne droite")...) primaire peut dévier le halo incident de manière cohérente à des angles plus grands que ne le permettent des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) amorphes. Cela pourrait augmenter la capacité des cristaux à couper les halos des faisceaux du LHC de plus haute intensité, spécialement en cas de problèmes d'exploitation à de plus hautes énergies."

A partir de 2009, des cristaux de silicium ont été testés au SPS et leur efficacité a été mesurée à l'aide des détecteurs Medipix. En 2011, après les essais concluants réalisés au SPS, le Comité des expériences LHC a approuvé l'expérience LUA9 pour tester l'idée au LHC. "Lorsqu'on utilise des cristaux courbés pour la collimation, l'intégralité de la puissance des particules du halo se dépose dans une toute petite zone du collimateur, explique Walter Scandale. Nous savions qu'à l'intensité nominale du LHC les cristaux devraient extraire un flux de protons avec des pertes régulières allant jusqu'à 500 kW à court terme dans une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et...) de seulement quelques millimètres carrés. Un système d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le...) passif supplémentaire ponctuel (En géométrie, un point est le plus petit élément constitutif de l'espace de travail.) devrait être conçu pour assurer une collimation de haute performance."

Un défi supplémentaire pour la collaboration LUA9 est d'orienter le cristal de manière optimale pour la canalisation. L'opération exige d'utiliser des mécanismes d'alignement d'une précision angulaire allant au-delà des techniques les plus avancées. Des dispositifs permettant d'orienter le cristal dans le LHC sont en cours de développement en partenariat avec diverses entreprises industrielles. Les résultats des premiers essais sont très encourageants. "Des cristaux courbés possédant les propriétés requises seront installés au LHC à temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) pour pouvoir mener des tests après le long arrêt technique. Cela sera réalisé en étroite collaboration avec l'équipe de collimation du LHC, conclut Walter Scandale. L'objectif est d'améliorer fortement l'efficacité de la collimation, en particulier pour les faisceaux d'ions plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.)."

Pourquoi les particules sont-elles canalisées dans des cristaux ?

Les particules chargées connaissent des interactions particulières avec les cristaux en raison de l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la direction.) du milieu. La trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) d'une particule positive se déplaçant à petit angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) par rapport aux plans cristallins est fortement influencée par le potentiel répulsif moyen le long des plans atomiques. La canalisation des particules résulte de leur confinement par le puits de potentiel formé entre des plans cristallins voisins.


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Source: (c) CERN - Antonella Del Rosso