Première mondiale: des protons qui avancent en crabe
Publié par Adrien le 30/05/2018 à 00:00
Source: Anais Schaeffer - Copyright CERN
Le CERN a testé avec succès des " cavités-crabe ", cavités dont la fonction est de modifier l'orientation des paquets de protons dans le faisceau - une première mondiale. Le test s'est déroulé le 23 mai, avec un faisceau du Supersynchrotron à protons (SPS) du CERN. Il a montré que les paquets de protons pouvaient être inclinés au moyen de ces cavités radiofréquence supraconductrices générant un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) transverse. Celles-ci sont des pièces essentielles pour le LHC à haute luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) (HL-LHC), la future version améliorée du LHC.


Les deux premiers prototypes de cavités-crabe au banc d'essai dans le Supersynchrotron à protons (SPS). Le cryomodule contenant les cavités a été installé sur une table mobile qui permet de le déplacer dans la ligne du faisceau (Image: M. Brice/CERN)

Le HL-LHC, qui sera mis en service après 2025, fera augmenter la luminosité du LHC d'un facteur de cinq à dix. La luminosité est un indicateur clé de la performance d'un collisionneur : elle donne le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de collisions potentielles par unité de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec...) sur une période de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). En d'autres termes, plus la luminosité est élevée, plus les collisions sont nombreuses, et donc plus les expériences peuvent enregistrer de données. Cette luminosité plus élevée permettra aux scientifiques d'observer des processus rares dont la détection exige un niveau de sensibilité dépassant la portée actuelle du LHC. Les physiciens seront ainsi également en mesure de réaliser des études de précision sur les nouvelles particules observées dans le LHC, comme le boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et François Englert (et nommé...). Pour cette augmentation de la luminosité, les cavités-crabe nouvellement développées auront un rôle important à jouer.

Les deux faisceaux qui circulent en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) opposés dans le LHC ne sont pas constitués d'un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément...) ininterrompu de particules, mais de " paquets " de protons de quelques centimètres de long, qui contiennent chacun des milliards de protons. Ces paquets se rencontrent, avec un petit angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de croisement, à chaque point (Graphie) de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.), au coeur 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 (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) contenu dans le paquet sera forcé de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) à travers toute la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est...) du paquet opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés...), ce qui augmente la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des...) des collisions, et donc la luminosité. Une fois inclinés, les paquets de protons semblent se déplacer latéralement - comme le ferait un crabe (Crabe est un nom vernaculaire ambigu utilisé en français pour désigner de nombreuses espèces de crustacés décapodes, pour la plupart comestibles. Ce terme proviendrait soit du...). Des cavités-crabe ont déjà été utilisées dans le collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) 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 sont censées augmenter la luminosité, dans l'ensemble, de 15 à 20 % ", indique Rama Calaga, qui dirige le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) des cavités-crabe.


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 (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) 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 (La tension est une force d'extension.) 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 (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le plan de référence (généralement le plan de l'écliptique, c'est-à-dire le plan...) 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 (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) 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 (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de l'ère du HL-LHC. Au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". ...), 16 cavités-crabe seront installées dans le HL-LHC : huit à proximité d'ATLAS et huit à proximité de CMS.   

Courte vidéo (en anglais) pour en apprendre plus sur le fonctionnement des cavités-crabe. (Vidéo: Polar Media/CERN)
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