Le CERN, berceau de la physique des particules, vient de franchir une étape décisive dans la protection de ses infrastructures colossales. Grâce à une ingénieuse technique d’« ombrage cristallin », les pertes de faisceaux, fléau des accélérateurs, sont désormais réduites de manière spectaculaire, promettant une durée de vie prolongée et une efficacité accrue pour des expériences cruciales. C’est une véritable prouesse d’ingénierie et de physique appliquée qui s’apprête à transformer le fonctionnement du Synchrotron à Protons Super (SPS).
Un défi majeur pour la recherche : les pertes de faisceau
Imaginez un fleuve déchaîné et une fragile embarcation. Au CERN, les faisceaux de particules sont des torrents d’énergie, et les composants des accélérateurs, des éléments essentiels mais vulnérables. Le physicien appliqué Francesco Velotti, du département des systèmes d’accélérateurs (SY), l’explique avec une analogie parlante : « Si vous placez un gros rocher dans un cours d’eau, vous pouvez abriter des objets situés juste en aval. C’est un peu la même chose avec les cristaux et un faisceau de particules. » Cette technique d’ombrage cristallin, mise en œuvre avec succès dans le Synchrotron à Protons Super (SPS) depuis 2021, est la réponse à un problème persistant. Le SPS, dernier injecteur du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), alimente également des expériences à cible fixe dans la zone Nord, nécessitant une « extraction lente » des faisceaux de protons. Si cette extraction garantit des impulsions de particules étendues et des flux stables et uniformes, essentiels pour les expériences, elle s’accompagne d’un inconvénient majeur : des pertes de faisceau plus importantes. Ces pertes entraînent des dommages considérables aux composants de l’accélérateur, notamment le septum électrostatique, un dispositif crucial qui sépare le faisceau circulant du faisceau extrait. Les conséquences sont graves : coûts de maintenance élevés, temps d’arrêt prolongés, et surtout, une limitation de l’accessibilité pour les réparations, entravant la pérennité des opérations.
Des cristaux de silicium : le secret d’un « bouclier » invisible
Pour contrer cette érosion constante des infrastructures, une équipe d’experts des départements SY (SY-ABT, SY-BI et SY-STI) et des faisceaux (BE-CEM) a développé et installé un système basé sur des cristaux. Ces cristaux de silicium courbés, une fois insérés dans le faisceau, agissent comme un véritable bouclier protecteur pour le septum, grâce à un effet d’ombrage. Leur position peut être ajustée à distance, s’adaptant aux conditions fluctuantes du faisceau. Ce développement s’inscrit dans le cadre du projet DECRYCE (Développement de Cristaux pour la Collimation et l’Extraction de Faisceaux), créé en 2022. Ce projet vise à couvrir l’intégralité du cycle de recherche et développement des systèmes cristallins au CERN, de la conception des cintres de cristaux aux bandes de silicium, en passant par l’assemblage et la validation expérimentale des systèmes. Luigi Esposito, physicien appliqué du département SY, précise : « Le principe de l’ombrage cristallin repose sur l’alignement précis d’un cristal fin et courbé afin qu’une partie des particules du halo soit déviée des composants sensibles. Des simulations détaillées de la dynamique des faisceaux ont été utilisées pour concevoir et optimiser ces systèmes cristallins, et elles sont minutieusement comparées à des mesures réelles de faisceau pour valider les performances et évaluer les gains opérationnels potentiels. »
Des résultats probants et une validation décisive
Les premiers essais sont plus qu’encourageants. Francesco Velotti ajoute : « Nous avons installé le premier prototype – un système composé d’un seul cristal de silicium – dans le SPS en 2021. Il a démontré une réduction de 50 % des pertes de faisceau, à la fois lors de campagnes de mesure dédiées et dans des conditions opérationnelles, où un système de contrôle basé sur l’Intelligence Artificielle (IA) a été essentiel pour garantir des performances fiables, confirmant ainsi les simulations. » Une réduction de moitié des pertes de faisceau représente un gain de temps et d’argent considérable pour le CERN et l’ensemble de la communauté scientifique. Le système complet, composé de plusieurs cristaux de silicium courbés et alignés, a été installé dans le SPS en janvier et entre désormais dans sa phase de validation opérationnelle, le SPS ayant récemment achevé sa phase de mise en service du faisceau. Cette technologie est une étape cruciale pour l’avenir de la physique des particules, notamment en Europe, où le CERN joue un rôle de leader mondial.
L’avenir de la recherche mondiale assuré
La réduction des pertes de faisceau est un catalyseur essentiel pour la prochaine génération d’expériences à cible fixe. Avec l’augmentation prévue de l’intensité des protons requise pour des projets d’envergure tels que SHiP et le projet ECN3 à Haute Intensité (HI-ECN3), la protection des composants – et, par conséquent, la garantie d’un fonctionnement sûr, fiable et à long terme de l’infrastructure du SPS – deviendra une priorité absolue. Cette innovation renforce la position du CERN en tant que pionnier mondial de la recherche fondamentale et des technologies de pointe, assurant que la quête des mystères de l’univers puisse se poursuivre avec des outils toujours plus performants et durables. C’est une excellente nouvelle pour l’Europe et pour tous les passionnés de science qui voient dans ces avancées la promesse de découvertes futures.
Mots-clés : CERN, Accélérateur de particules, Ombrage cristallin, Pertes de faisceau, Physique appliquée
Source : Article original