12 Juin 2019  |  Physique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 03/2019

Nouvelles du LS2: la métamorphose du Booster du synchrotron à protons

Le deuxième long arrêt technique (LS2) prévu en 2019-2020, du complexe d’accélérateurs du CERN a commencé. Les équipes sont à pied d’œuvre pour réaliser la maintenance, les rénovations et le remplacement de nombreux équipements par de nouveaux systèmes, souvent innovants. Ce projet phare vise à relever la luminosité du Grand accélérateur de hadrons (LHC) au cours de la prochaine décennie.

Ces importantes améliorations sont réalisées pour la plupart dans le cadre du projet d’amélioration des injecteurs du LHC (LIU – LHC Injectors Upgrade), préparé depuis plusieurs années pour augmenter les performances de la chaîne d’accélérateurs. La planification de l’ensemble des travaux d’installation est coordonnée par le groupe ACE du département Ingénierie, avec un coordinateur pour chaque accélérateur, organisant le planning général et travaillant avec les coordinateurs de chaque lot d’activité.
 
Un aimant principal du Booster du synchrotron à protons est démonté et extrait de l’accélérateur, sous la supervision des équipes de manutention. (Image: CERN)
 
 
Objectif: des protons de 160 MeV contre 50 MeV auparavant
L’injecteur du synchrotron à protons (Booster du PS), deuxième maillon de la chaîne d’accélération, va subir une métamorphose complète. Avec la mise en service du nouvel accélérateur linéaire Linac 4 à la fin du deuxième long arrêt technique (LS2), le Booster du PS recevra des protons à une énergie de 160 MeV, contre 50 MeV avec l’ancien Linac 2. Le système d’injection vers le Booster doit par conséquent être complètement changé, d’autant que le Linac 4 accélérera des ions H, c’est-à-dire des atomes d’hydrogène comportant deux électrons.
Ces ions seront «épluchés» de leurs électrons à travers un ingénieux système d’injection, avant d’être accélérés dans le Booster jusqu’à une énergie de 2 GeV, contre 1,4 auparavant. Outre le système d’injection, les systèmes d’accélération radiofréquence et d’alimentation seront remplacés, les aimants seront améliorés et la ligne de transfert vers le synchrotron à protons sera rénovée.
David Hay est le coordinateur des activités d’installation dans le Booster du PS pendant le grand arrêt. «La rénovation a en réalité commencé en 2016, avec des travaux de génie civil, des campagnes de décâblage et de câblage ou encore l’installation de nouveaux équipements d’instrumentation», explique-t-il.
 
Un nouveau système d’accélération a été développé pour le Booster du synchrotron à protons. Il consiste en cavités radiofréquence utilisant un matériau composite (FineMet), assemblées dans trois structures comme celle-ci. (Image: Matthias Haase/CERN)
 
 
Un nouveau bâtiment pour le nouveau système d’alimentation du Booster
Parallèlement, dans le cadre du projet LIU, tous les nouveaux équipements ont été développés et fabriqués pour l’exploitation de faisceaux à haute brillance – autrement dit haute intensité. Un nouveau bâtiment (245) a été édifié pour accueillir le nouveau système d’alimentation du Booster, adapté à l’énergie accrue de l’accélérateur. Les convertisseurs de puissance alimenteront les aimants avec des intensités de 5500 A, contre 4000 A auparavant. Nommé POPS-B, le nouveau système d’alimentation a été testé fin 2018 avec succès, fournissant la puissance requise. C’est une étape majeure de l’amélioration des performances du Booster.
 
Décâblage et démontage des équipements
La campagne de décâblage a aussi commencé. En outre, un travail délicat a débuté avec le démontage des équipements de la zone d’injection du Booster. «Sur les 215 m de lignes de faisceaux du complexe du PS Booster, 70 m sont à démonter pour installer les nouveaux équipements pour l’injection et l’extraction», explique Wim Weterings, du groupe TE-ABT, qui supervise les travaux des lignes de transfert.
Des aimants à septum et de déflexion, ainsi que plusieurs aimants dipôles, quadripôles et correcteurs doivent être extraits. L’installation des nouveaux systèmes devrait débuter à la fin du printemps. Des aimants sont à changer dans les lignes de transfert, mais également dans la boucle du Booster. «Plus de 60 aimants doivent être retirés. La plupart seront remplacés par des aimants neufs, mais certains seront rénovés», explique Antony Newborough, du groupe TE-MSC, en charge des aimants du Booster. Les plus lourds d’entre eux pèsent pas moins de 18 tonnes.
 
Le local abritant les convertisseurs de puissance et le système de contrôle pour les cavités radiofréquence du Booster du synchrotron à protons est entièrement vidé pendant le deuxième long arrêt technique. Tous les câbles courant sous le faux plancher sont retirés avant d’installer le nouveau système d’alimentation et de contrôle.(Image: Matthias Haase/CERN)
 
 
Remplacement du système d’accélération radiofréquence
Le système d’accélération radiofréquence va être intégralement remplacé. Depuis 2012, un nouveau système utilisant des cavités à base de FineMet – un matériau magnétique composite – a été développé en collaboration avec l’institut japonais KEK. Deux cavités ont passé des tests concluants in situ pendant plusieurs périodes d’exploitation. Trois structures abritant chacune huit cavités seront installées une fois les anciennes cavités extraites.
Un nouveau système d’alimentation a également été développé pour leur fournir la puissance électrique requise. «À la fin du mois de février, nous avons commencé à installer, dans le local en surface, 24 racks contenant 144 convertisseurs de puissance, ainsi que 18 racks abritant les modules de contrôle. L’installation durera deux mois», explique Matthias Haase, du groupe BE-RF, qui coordonne ces activités.
Outre les travaux sur le cœur de l’accélérateur, d’importantes activités sont menées sur les infrastructures. En particulier, le système de refroidissement va être changé et de nouvelles tours de refroidissement seront installées.
Source: Corinne Pralavorio, CERN
 
Le synchrotron à protons
Élément clé du complexe d’accélérateurs, le synchrotron à protons (PS) accélère les protons fournis par le Booster (PSB) ou les ions lourds provenant de l’anneau d’ions de basse énergie (LEIR). Tout au long de son histoire, le PS a jonglé avec des particules de toutes sortes, soit pour injecter les faisceaux directement dans les expériences, soit pour alimenter des accélérateurs plus puissants.
Le PS a accéléré ses premiers protons le 24 novembre 1959, devenant ainsi, pendant une courte période, l’accélérateur produisant les plus hautes énergies du monde. Premier synchrotron du CERN, le PS était à l’origine une partie intégrante du programme de physique des particules du CERN. Cependant, depuis la construction, dans les années 70, de nouveaux accélérateurs, il sert principalement à alimenter les nouvelles machines. Il a subi, au fil des années, de nombreuses modifications et l’intensité de son faisceau de protons a été multipliée par mille.
D’une circonférence de 628 m, le PS compte 277 électroaimants classiques (fonctionnant à température ambiante), dont 100 dipôles utilisés pour courber les faisceaux à l’intérieur de l’anneau. Avec une énergie atteignant 25 GeV, il a accéléré non seulement des protons, mais également des particules alpha (noyaux d’hélium), des noyaux d’oxygène et de soufre, des électrons, des positons et des antiprotons.
 
L’accélérateur linéaire Linac 4 élevées
L’accélérateur linéaire Linac 4 porte des ions d’hydrogène négatifs à des énergies élevées. Il constituera la source de faisceaux de protons du Grand collisionneur de hadrons (LHC) après le long arrêt prévu en 2019-2020. Le Linac 4 portera les ions d’hydrogène négatifs (H-, formés d’un atome d’hydrogène et de deux électrons) à l’énergie de 160 MeV avant de les transmettre à l’injecteur du synchrotron à protons (Booster du PS), qui fait partie de la chaîne d’injection du LHC.
Le Linac 4 est composé d’une source d’ions H- et de quatre types de structures accélératrices. Les particules sont successivement accélérées à 3 MeV par un quadripôle radiofréquence, à 50 MeV par des accélérateurs linéaires à tube de glissement, puis à 100 MeV par des accélérateurs linéaires à tube de glissement à cavités couplées et enfin à 160 MeV par des structures en mode PI (PIMS). Le Linac 4 comporte également un équipement dénommé ligne Chopper, dont le rôle est de découper le faisceau à la même fréquence que celle du Booster du PS.
Situé à 12 m sous terre, le Linac 4 mesure 86 m de long. La production des premiers faisceaux a commencé en 2013. L’énergie de 160 MeV a été atteinte en 2016, après la mise en service de toutes les structures accélératrices. Durant le long arrêt du LHC prévu pour 2019-2020, le Linac 4 remplacera le Linac 2, qui accélérait les protons jusqu’à 50 MeV. Il est un élément clé du projet visant à relever la luminosité du LHC au cours de la prochaine décennie.


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