19 Octobre 2018  |  Physique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 08/2018

La haute luminosité pour le Grand collisionneur de hadrons

Michel Giannoni

Le 15 juin dernier, Fabiola Gianotti, directrice générale du CERN, a accueilli les représentants de la Suisse et de la France pour la cérémonie de lancement des travaux de génie civil du projet de Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC). Initié en 2011, ce projet d’envergure internationale a été qualifié de première priorité dans le cadre de la stratégie européenne pour la physique des particules.

Une nouvelle étape dans l’histoire du CERN a débuté officiellement le 15 juin 2018. En présence de Fabiola Gianotti, directrice générale du CERN, du président du Conseil d’État, Pierre Maudet et de Frédérick Bordry, directeur des accélérateurs et de la technologie du CERN, la cérémonie a marqué le début des travaux de génie civil du projet de Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC). D’ici 2026, cette amélioration majeure aura considérablement accru la performance du LHC en multipliant le nombre de collisions qui se produisent au cœur des grandes expériences, ce qui fera augmenter la probabilité de découvrir de nouveaux phénomènes. En effet, davantage de collisions signifie davantage de chances pour les physiciens d’étudier des phénomènes rares et d’obtenir des mesures plus précises.
 
Les travaux de génie civil pour le LHC à haute luminosité ont débuté sur les sites des expériences ATLAS et CMS afin de réaliser de nouveaux ouvrages souterrains. (Image: Julien Ordan/CERN)
 
 
Comment fonctionne le LHC?
À l’intérieur du tunnel de 27 km de circonférence, des paquets de protons voyagent à une vitesse proche de celle de la lumière, et entrent en collision aux quatre points d’interaction. Ces collisions engendrent de nouvelles particules, qui sont enregistrées par les détecteurs entourant ces points d’interaction. Les collisions sont ensuite analysées par des physiciens du monde entier, qui approfondissent ainsi nos connaissances des lois de la nature.
 
Pourquoi le HL-LHC?
Si le LHC est capable de produire jusqu’à un milliard de collisions proton-proton par seconde, le HL-LHC fera augmenter ce nombre, que les physiciens appellent «luminosité». Cette luminosité sera améliorée d’un facteur de cinq à sept, ce qui permettra d’accumuler environ dix fois plus de données entre 2026 et 2036. Au moins 140 collisions se produiront chaque fois que les paquets de particules se croiseront au cœur des détecteurs ATLAS et CMS, contre une quarantaine actuellement. La nouvelle installation permettra, par exemple, de déterminer avec davantage de précision les propriétés du boson de Higgs, de mieux mesurer comment il est produit et se désintègre, comment il interagit avec les autres particules. Des scénarios allant au-delà du Modèle standard pourront être étudiés, notamment la supersymétrie, les théories sur les dimensions supplémentaires et sur les modèles composites.
 
Prototype d’aimant quadripôle pour le LHC à haute luminosité. (Image: Robert Hradil, Monika Majer/ProStudio22.ch)
 
 
Comment augmenter le taux des collisions?
L’un des moyens d’ accroître le taux des collisions est de comprimer le faisceau de particules aux points d’interaction, de manière à augmenter la probabilité des collisions proton-proton. Le HL-LHC a besoin pour cela d’environ 130 nouveaux aimants, parmi lesquels 24 nouveaux quadripôles de focalisation supraconducteurs, dont la mission est de focaliser le faisceau, et quatre dipôles supraconducteurs. Ces quadripôles et dipôles atteindront un champ d’environ 11,5 teslas, alors que les dipôles actuellement utilisés dans le LHC atteignent 8,3 teslas.
Seize «cavités-crabe» seront également installées afin de maximiser le recoupement des paquets de protons aux points de collision. Leur fonction est d’incliner les paquets, de sorte que ceux-ci paraissent alors avancer de côté, comme le feraient des crabes.
Un autre élément essentiel pour augmenter la luminosité dans le LHC consiste à améliorer la disponibilité et l’efficacité de la machine. Pour cela, certains équipements devront être déplacés afin de les rendre plus accessibles lors des travaux de maintenance. Les convertisseurs de puissance des aimants seront ainsi placés dans des galeries séparées et connectés au moyen de câbles supraconducteurs novateurs, capables de transporter jusqu’à 100 kA avec une dissipation d’énergie proche de zéro. De nouveaux équipements devront être installés sur environ 1,2 km des 27 km du LHC.
 
Schéma du projet HL-LHC .
 
 
D’importants travaux de génie civil
Afin de permettre que ces améliorations puissent voir le jour, d’importants travaux de génie civil sont nécessaires sur deux sites principaux, en Suisse et en France. De nouveaux bâtiments, puits, cavernes et galeries souterraines devront notamment être construits. Les tunnels et les halles souterraines accueilleront de nouveaux équipements cryogéniques, des systèmes d’alimentation électrique, de refroidissement et de ventilation. L’exploitation du LHC continuera pendant les travaux, avec toutefois de longs arrêts techniques, qui permettront de faire des préparatifs pour l’amélioration de la haute luminosité, parallèlement aux activités courantes de maintenance.
 
Le chantier sur le site du point 5 à Cessy, qui accueille |’expérience CMS.
 
 
Le planning des travaux
Les travaux de génie civil ont démarré en avril 2018 sur le site du point 1 à Meyrin, ou l’expérience ATLAS est située, et sur le site du point 5 à Cessy, qui accueille |’expérience CMS. Sur chaque site, un puits d’environ 80 m sera creuse, ainsi qu’une caverne souterraine et une longue galerie de 300 m. Quatre tunnels permettront de relier la galerie au tunnel LHC. Cinq bâtiments de surface seront construits sur chaque site.
Pendant ce temps, les nouveaux équipements sont en cours de fabrication en Europe, au Japon et aux États-Unis. Le Canada et la Chine ont également fait part de leur intérêt pour rallier le projet et contribuer à la réalisation d’équipements de pointe. Les expériences préparent également des améliorations majeures de leur détecteur pour faire face à l’avalanche de données promise par le HL-LHC.
L’installation des premiers composants (les aimants de courbure de 11 teslas et leurs collimateurs, |’instrumentation de faisceau, certains collimateurs et le blindage) débutera durant le deuxième long arrêt technique du LHC, en 2019 et 2020. Mais l’installation de la plupart des équipements, ainsi que les améliorations majeures des expériences, interviendront au cours du troisième arrêt technique du LHC, entre 2024 et 2026. Une fois les améliorations majeures achevée, le LHC devrait produire des données en mode haute luminosité. En repoussant les frontières des technologies des accélérateurs et des détecteurs, il ouvrira également la voie pour les futurs accélérateurs à encore plus haute énergie.
 
L’accélérateur LEP fut le prédécesseur du LHC dans le même tunnel souterrain. Les cavités radiofréquences comme celle-ci furent utilisées pour accélérer les électrons et positrons dans des sens différents. La cavité sphérique servait à récupérer l’énergie, permettant de réduire la consommation énergétique du LEP de 35 %.
 
 
Un peu d’histoire
Le CERN avec ses États membres et États membres associes est épaulé par une collaboration internationale de vingt-neuf instituts dans treize pays, dont les États-Unis et le Japon. L’aventure a commencé en novembre 2011. Deux ans plus tard, le projet a été inscrit au rang des principales priorités de la stratégie européenne pour la physique des particules et il a été formellement approuvé par le Conseil du CERN en juin 2016.
 
Combien coûtera le HL-LHC?
Le budget matériel pour |’accélérateur est fixe à 950 millions de francs entre 2010 et 2026, avec un budget du CERN constant.
 
À propos du CERN
Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est l’un des plus éminents laboratoires de recherche en physique des particules du monde. Situé de part et d’autre de la frontière franco-suisse, le CERN a son siège à Genève. Ses États membres sont les suivants: Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Roumanie, Royaume-Uni, Slovaquie, Suède et Suisse. Chypre, la Serbie et la Slovénie sont des États membres associés en phase préalable à l’adhésion. L’Inde, la Lituanie, le Pakistan, la Turquie et l’Ukraine sont des États membres associés. Les États-Unis, la Fédération de Russie, le Japon, l’Institut unifié de recherches nucléaires (JINR), l’UNESCO et l’Union européenne ont actuellement le statut d’observateur.
 
Qu’est-ce que la luminosité?
La luminosité est une caractéristique essentielle d’un collisionneur. Elle indique le nombre de collisions susceptibles de se produire par unité de surface en un temps donné. La luminosité cumulée se mesure en femtobarns inverses (fb-1), un femtobarn inverse représentant 1014 collisions. D’ici fin 2018, à |’énergie de 13 TeV, le LHC devrait avoir produit 150 femtobarns inverses de données. Le HL-LHC produira plus de 250 femtobarns inverses de données par an et sera capable d’accumuler jusqu’à 4000 femtobarns inverses.
Les phénomènes recherchés par les physiciens ont une probabilité très faible de se produire. C’est pourquoi ils ont besoin d’une très grande quantité de données pour les déceler. Augmenter la luminosité permet de produire davantage de données pour étudier les mécanismes connus et observer de nouveaux phénomènes très rares qui pourraient se manifester. À titre d’exemple, le LHC a haute luminosité produira chaque année au moins 15 millions de bosons de Higgs, contre environ trois millions en 2017.
 
Les expériences du LHC
Les principales expériences du LHC sont ATLAS, CMS, ALICE et LHCb. Elles sont conduites par des collaborations de chercheurs provenant d’instituts du monde entier. Chacune est différente et se caractérise par ses détecteurs. ATLAS et CMS exploitent des détecteurs polyvalents pour explorer des domaines aussi vastes que possible. ALICE et LHCb utilisent des détecteurs spécialisés pour se concentrer sur des phénomènes particuliers. Ces quatre détecteurs sont logés dans d’énormes cavernes souterraines disposées le long de l’anneau du LHC. À chaque collision, ce sont quelque 100 milliards de particules qui se rencontrent. Aux points précis de cette rencontre (points d’interaction), de nouvelles particules se forment et diffusent dans toutes les directions.
 
 
CERN
1211 Genève
Tél. 022 767 84 84
www.cern.ch


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