Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers

Le Cern, dans le cadre de son projet de collisionneur linéaire Clic (Compact linear collider), a initié un programme de recherche et développement autour de la station d’essais CTF3 (Clic test facility 3^e phase) qui a pour but de valider les concepts permettant d’atteindre des énergies de 1 à 3 TeV sur une distance de 30 km. La démonstration de la faisabilité technologique doit être achevée pour 2010, date à laquelle les premiers résultats du LHC permettront aux physiciens de décider quel domaine d’énergie sera le plus pertinent pour leurs futurs travaux. Pour réaliser cet ambitieux programme le Cern a fait appel à une large collaboration internationale comprenant à ce jour plus de 15 laboratoires et instituts. Le Dapnia en association avec le LAL (Laboratoire de l’accélérateur linéaire d’Orsay) y réalise un accélérateur baptisé Califes (Concept d’accélérateur linéaire pour faisceau d’électrons sonde) destiné à injecter des paquets d’électrons dans les structures accélératrices à haut gradients (100 MV/m) pressenties pour le Clic.

L’obtention de gradient d’accélération aussi important interdit l’usage de structures supraconductrices et nécessite donc une puissance radiofréquence (RF) extrêmement élevée (plusieurs GW crête). Après de nombreuses optimisations la fréquence de 12 GHz est aujourd’hui retenue. Cette puissance est obtenue à partir d’un premier faisceau d’électrons de 150 MeV fonctionnant à 3 GHz dont les trains de paquets sont ensuite recombinés dans 2 anneaux afin de porter leur intensité moyenne de 3,5 à 28 A, avant d’être décélérer dans des structures ad-hoc qui fournissent alors la puissance RF requise au 2^e faisceau à 12 GHz. La validation de cette « gymnastique » complexe est un des deux principaux objectifs de CTF3.

Le 2^e objectif est l’optimisation des structures accélératrices afin d’obtenir des taux de claquage aussi faibles que 10^-6 pour un champ moyen de 100 MV/m pendant 100 ns. Ces structures sont déjà en cours d’expérimentation en puissance mais sans faisceau d’électrons. L’étude du comportement du faisceau dans ces structures nécessite l’injection de paquets d’électrons aux caractéristiques bien précises.

Les caractéristiques particulièrement exigeantes de ce faisceau sonde en terme d’émittance, de dispersion en énergie, de charge et de longueur de paquets, ont rendu nécessaire l’utilisation des techniques les plus modernes dans la conception de l’accélérateur Califes : photo-injecteur et mise en forme des impulsions laser, compression de paquets, compression d’impulsions RF et déphaseur de puissance. De même une chaîne complète de diagnostics (moniteur de courant et de position, profileur de faisceau, cavité déflectrice, dipôle d’analyse…) a été mise en œuvre afin de valider le faisceau avant son utilisation.

Le Dapnia s’est impliqué dès le début de ce projet, reprenant à son compte les spécifications établies par le Cern, proposant une architecture validée par des simulations de dynamique du faisceau, organisant la récupération des équipements déjà disponibles, concevant et lançant la réalisation d’équipements nouveaux et cherchant des collaborations à Saclay pour les domaines où sa compétence faisait défaut (manipulation d’impulsions laser). Aujourd’hui la phase d’installation dans le nouveau bâtiment Clex dédié à cette expérimentation à deux faisceaux a commencé. Elle sera suivie de la mise en service en 2008 alors qu’est déjà explorée une suite aux activités du Dapnia dans CTF3 par la participation aux travaux sur les structures à haut gradient accélérateur et le développement d’instrumentation spécifique.