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Aimants surpuissants et accélération efficace : les défis de la stratégie du Cern pour ses futures machines

XAVIER BOIVINET
Publié le 23/06/2020à 09h30
Recherche, CERN

Mise à jour et approuvée par le Conseil du Cern le 19 juin, la nouvelle Stratégie européenne pour la physique des particules met l’accent sur la recherche et développement. Objectif : lever les verrous technologiques concernant les cavités accélératrices et les aimants pour construire les machines qui pourraient succéder au HL-LHC. Un collisionneur électron-positon - ou « usine à Higgs » - est envisagé comme une étape intermédiaire avant une machine proton-proton de 100 TeV à horizon 2050.

Le Conseil du Cern a mis à jour le 19 juin la Stratégie européenne pour la physique des particules : une feuille de route qui fixe le cap pour la physique des hautes énergies pour les 20 à 30 prochaines années. En 2013, la précédente mise à jour avait défini comme priorité le projet Haute-luminosité du Grand collisionneur de hadrons (HL-LHC) pour succéder au LHC. Celui-ci se concrétise avec des travaux en cours et une exploitation scientifique prévue de 2027 à environ 2040.

Mais les physiciens pensent déjà à la suite. « Cette nouvelle stratégie était extrêmement attendue, souligne Laurent Vacavant, directeur adjoint scientifique de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) au CNRS. Plusieurs options possibles étaient en discussion. C'est une avancée importante d’avoir défini l’ambition claire de conserver au Cern l'exploration des plus hautes énergies, avec l'étude de faisabilité d'un très grand collisionneur de 100 téra-électronvolts (TeV). »

« Usine à Higgs »
Ce nouveau collisionneur proton-proton de 100 TeV, s’il voit le jour, n’entrerait en service que vers 2050. D'ici là, une étape intermédiaire est définie comme prioritaire pour succéder au HL-LHC : la construction d’une « usine à Higgs » dans laquelle des bosons de Higgs serait générés par des collisions entre des électrons et leurs antiparticules - les positons.

Une voie différente par rapport au LHC (et au futur HL-LHC) qui les génère grâce à des collisions entre protons. « Contrairement aux protons, les électrons sont des particules élémentaires, ce qui a deux conséquences heureuses, souligne M. Vacavant. D'abord, l'énergie qui leur a été communiquée par l'accélérateur est entièrement mobilisable pour la collision et est connue précisément. Ensuite, les processus d'interaction électron-positon sont plus simples à modéliser théoriquement et conduisent à des signatures plus « propres » dans le détecteur. Cela permet des mesures plus précises. »

Voie circulaire ou voie linéaire
Plusieurs machines peuvent servir d’« usine à Higgs », et la stratégie européenne se garde de déterminer laquelle choisir. Il peut s’agir de collisionneurs circulaires - comme le LHC - dans lesquels électrons et positons sont accélérés en sens inverse selon des trajectoires courbes avant d’entrer en collision. Mais il peut aussi s’agir de collisionneurs linéaires dans lesquelles une succession de différences de potentiels les accélère en ligne droite.

« Le niveau d’énergie visé pour ces « usines à Higgs » - vers 300 giga-électronvolts (GeV) - se situe dans une zone d'énergies « charnière » dans laquelle les deux voies sont potentiellement intéressantes, explique Jean-Luc Biarrotte, directeur adjoint scientifique en charge des accélérateurs et des technologies à l’IN2P3. C’est pourquoi les deux concepts s’affrontent aujourd’hui. »

La limite du rayonnement synchrotron
L’accélérateur circulaire électron-positon a une limite principale : la perte d’énergie due à l’émission de photons par rayonnement synchrotron lorsque les électrons sont accélérés selon une trajectoire courbe. Le phénomène est fortement amplifié à mesure que l'énergie augmente, en particulier pour des particules de masse très légère comme l'électron, bien plus léger que le proton. « Cela limite l’énergie atteignable par un collisionneur circulaire autour de 500 giga-électronvolts (GeV) environ dans le cas des électrons, explique M. Biarrotte. Au-delà, ils perdent tellement d’énergie qu’il est impossible de les accélérer suffisamment. C’est pour cette raison que nous nous sommes orientés depuis une vingtaine d’années vers des accélérateurs linéaires. »

Impliquant des trajectoires en ligne droite, les accélérateurs linéaires ne sont pas limités par le rayonnement synchrotron. Ils permettent donc d’aller plus haut en énergie. « Par contre, plus l’énergie visée est grande, plus il faut allonger la machine, ajoute M. Biarrotte. Cela peut devenir un handicap en termes de coût. »

Quatre machines à l'étude
Le Cern envisage une machine circulaire - le Futur collisionneur circulaire (FCC) électron-positon - et une machine linéaire - le Collisionneur linéaire compact (Clic). Le Japon propose depuis très longtemps une machine linéaire baptisée Collisionneur linéaire international (ILC). De son côté, la Chine penche vers l’option circulaire avec le collisionneur électron-positron circulaire (CEPC).

« Au-delà des faisabilités financière et sociétale à étudier en détail, il y a de gros enjeux au niveau technologique pour arriver à faire ces machines », assure M. Vacavant. Jean-Luc Biarrotte relève d’ailleurs que cette nouvelle mise à jour de la stratégie européenne met particulièrement l’accent sur la recherche et développement : « Les avancées technologiques des prochaines années permettront d'identifier quelle sera la meilleure machine. »

Efficacité des cavités accélératrices et focalisation du faisceau
Pour l’« usine à Higgs », l’enjeu est principalement d’améliorer l’efficacité de l’accélération des électrons qui se produit dans des cavités résonnantes – ou cavités accélératrices. « Nous essayons de produire les champs accélérateurs les plus forts possibles », explique M. Biarrotte. Pour les machines linéaires, l’objectif est de limiter la longueur du dispositif. Pour les machines circulaires, l’enjeu est de réduire le nombre de cavités accélératrices nécessaires pour compenser la perte d’énergie due au rayonnement synchrotron. Dans les deux cas, l’idée est aussi de réduire la consommation d’énergie.

Deux pistes sont envisagées : des cavités supraconductrices en niobium pour les projets FCC électron-positon et ILC, ou des cavités à très haute-fréquence qui fonctionnent à température ambiante dans le cas de Clic. « Chaque technologie a ses avantages et nous commençons à les maîtriser, souligne M. Biarrotte. Mais il y a encore des efforts de R&D à mener, notamment sur les matériaux, pour pousser leurs performances. »

L’autre défi principal pour ces machines est de focaliser le faisceau de particules à une taille nanométrique pour optimiser le nombre de collisions au point d’impact, et donc le nombre de bosons de Higgs produits.

Doubler le champs des aimants
Pour le collisionneur circulaire proton-proton de 100 TeV, deux options sont possibles pour atteindre ce niveau d’énergie : augmenter le rayon de l’accélérateur ou le champ magnétique des aimants qui le composent. Le compromis qui a été trouvé est un tunnel en anneau de 100 kilomètres (km) de circonférence avec des aimants de 16 teslas. Des chiffres à comparer aux 27 km du LHC actuel et ses aimants de 8 teslas pour une énergie de 14 TeV. « C’est aussi bien une question de coût que de faisabilité géologique et technologique, souligne M. Biarrotte. Nous nous heurtons à notre capacité à faire des aimants de fort champ. »

Pour fabriquer ces aimants, la piste envisagée est d’utiliser des câbles en niobium-étain, voire des supraconducteurs à haute température critique, précise M. Biarrotte : « Tout cela est encore très exploratoire. Mais les experts estiment qu’il faudra environ vingt ans pour faire la R&D, les tests, les prototypes et les démonstrateurs. Il est donc indispensable de démarrer ces travaux aujourd’hui pour imaginer une machine de 100 TeV à horizon 2050. »

Pour la suite, les chercheurs ont déjà des idées pour faire des machines plus compactes : avec des collisionneurs de muons par exemple, ou des accélérateurs plasma. Des concepts futuristes évoqués dans la feuille de route mais qui sortent du cadre d'une implémentation proche.

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Les secrets du niobium-étain, fragile mais supraconducteur
La production de nouveaux câbles en niobium-étain destinés aux aimants supraconducteurs haute performance du HL-LHC est en cours au CERN.

25 JUILLET, 2016 | Par Stefania Pandolfi

Pas de recherches extraordinaires sans machine extraordinaire : le projet d’amélioration du LHC, ou LHC à haute luminosité (HL-LHC), a pour objectif d'atteindre des luminosités instantanées cinq fois supérieures à la valeur nominale du LHC, grâce à des champs magnétiques allant jusqu’à 12 teslas. L'alliage supraconducteur de niobium et de titane (Nb-Ti) utilisé pour les aimants du LHC résiste à des champs magnétiques inférieurs à 9-10 teslas ; il devait donc impérativement être remplacé par un autre matériau. C'est l'élément niobium-étain (Nb3Sn) qui a rendu possible le développement d'aimants supraconducteurs capables de générer plus de 10 teslas.

La découverte de cet alliage en tant que supraconducteur remonte à 1954, soit huit ans avant celle du niobium-titane, mais c’est ce dernier qui avait été préféré pour la construction du LHC, en raison de sa plus grande accessibilité, de sa ductilité plus élevée et de ses excellentes propriétés électriques et mécaniques.

À l’heure actuelle, on assiste à un regain d’intérêt pour le niobium-étain car il est capable de produire des champs magnétiques plus puissants. Dans le HL-LHC, il prendra la forme de câbles destinés aux puissants dipôles principaux (11 teslas) et aux quadripôles des triplets internes, qui seront situés aux points d'interaction d'ATLAS (Point 1) et de CMS (Point 5).

Les câbles en Nb3Sn qui seront utilisés pour les bobines des aimants du HL-LHC se composent de plusieurs filaments mesurant environ 0,05 millimètre de diamètre, recouverts d’une matrice de cuivre. Il n’est pas possible d’utiliser des filaments supraconducteurs dès le départ, car ils seraient trop fragiles pour supporter le câblage et perdraient de toute façon leurs propriétés supraconductrices. Il faut donc former des câbles avec des filaments en Nb3Sn non encore supraconducteurs, n’ayant pas réagi, et les enrouler en bobines. Ces dernières subissent ensuite un traitement thermique à 650° C pendant plusieurs jours, et deviennent supraconductrices au terme d'un processus complexe de réaction et de diffusion.

Le câblage des brins a lieu dans un laboratoire dédié à la supraconductivité, dans le bâtiment 163 : là, une machine assemble 40 brins en Nb3Sn n’ayant pas encore réagi, et le résultat est un « câble de Rutherford », seul type de câble supraconducteur utilisé pour l’instant dans les aimants d’accélérateurs. Ce câble se compose de plusieurs brins, très compactés pour lui donner une forme trapézoïdale, ce qui permet d'obtenir une densité de courant élevée.

« Les câbles en Nb3Sn qui seront utilisés dans les séries de dipôles à 11 teslas et dans les quadripôles d’insertion ont été mis au point ici, au CERN, par notre section, explique Amalia Ballarino, chef de la section Supraconducteurs et dispositifs de supraconduction (SCD) du groupe Aimants, supraconducteurs et cryostats (MSC) au sein du département Technologie. À présent, dans le laboratoire consacré aux supraconducteurs du bâtiment 163, nous produisons les séries de câbles destinés aux nouveaux aimants pour le HL-LHC. »

Le câblage des brins présente plusieurs défis : tout d’abord, la déformation mécanique qu’il provoque doit avoir un effet négligeable sur la forme, et donc sur la performance électrique, des filaments internes. Même légèrement déformés, les brins doivent pouvoir supporter le traitement thermique sans que leur performance en soit détériorée. Pour générer un champ magnétique de qualité, ils doivent être disposés précisément d’un point de vue géométrique, et soumis à la même tension, sur toute la longueur de câble.

Comme le précise Amalia Ballarino : « Nous avons une grande responsabilité, car le HL-LHC sera le premier accélérateur à intégrer des aimants en niobium-étain. La phase de R&D est terminée, ce qui signifie que nous avons atteint le plus haut niveau de performance possible pour cette génération perfectionnée de câbles en Nb3Sn. Concernant les futurs accélérateurs à plus haute énergie, la recherche fondamentale sur ce type de câbles sera essentielle si nous voulons produire des champs magnétiques encore plus puissants », conclut-elle.

videos.cern.ch/record/2149039

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