Conçu à l'Irfu, le plus grand aimant supraconducteur au monde vient d'être mis en service au Cern : Atlas détecte ses premiers muons

27 octobre 2008

Le Dapnia vient de connaître un double succès dans Atlas, la plus grande des expériences en cours de construction auprès du LHC au Cern.

Un courant de 21 000 ampères a été injecté dans la nuit du jeudi 9 novembre 2006 dans les 8 bobines de l’aimant d’Atlas, soit 500 ampères de plus que le courant nécessaire pour produire le champ magnétique prévu. Tous les tests de fonctionnement ont été passés avec succès pour ce qui constitue désormais le plus grand aimant supraconducteur au monde. Ce succès récompense l’engagement du Dapnia dans la conception et la construction de l’aimant toroïdal d’Atlas.

Durant les tests de l’aimant, le spectromètre à muons, un des principaux détecteurs de l’expérience, a également été testé avec succès. Le système d’alignement du spectromètre, dont le Dapnia a la responsabilité, a fonctionné avec la précision requise, et des trajectoires de muons cosmiques, courbées par le champ magnétique, ont été reconstruites grâce aux logiciels développés également au Dapnia .

Le « spectromètre à muons » d’Atlas baigne dans un très grand champ magnétique qui entoure l’ensemble de l’expérience. Pour construire un aimant capable de produire un tel champ, les ingénieurs-chercheurs du Dapnia ont conçu un ensemble de huit bobines supraconductrices de forme rectangulaire de 25 m de long sur 5 m de large. Le champ magnétique ainsi produit entoure l’expérience à la manière d’un tore, d’où l’appellation « toroïde » pour l’aimant géant d’Atlas.

Conçu à l'Irfu, le plus grand aimant supraconducteur au monde vient d'être mis en service au Cern : Atlas détecte ses premiers muons

Photomontage montrant la taille comparée d'Atlas et du bâtiment hébergeant la collaboration au Cern

Trente kilomètres de câbles supraconducteurs ont été nécessaires pour fabriquer ses bobines, qui sont refroidies à la température de l’hélium liquide (-269°C). Les huit bobines, déjà testées une par une en surface avec un courant de 22 000 ampères, ont été assemblées en 2005 dans la caverne d’Atlas à l’aide d’une structure métallique en aluminium. Positionnées en étoile, et à quelques millimètres près, ces bobines occupent un volume équivalent à celui d’un immeuble de six étages. Le toroïde a été pour la première fois refroidi à -269° C dans son ensemble en juin et juillet 2006, avant d’être mis progressivement en fonctionnement à partir du mois de septembre. Une fois sous tension, cet aimant stocke une énergie magnétique de 1,1 GJ, équivalente à celle nécessaire pour soulever la tour Eiffel d’une hauteur de 10 mètres.

Les physiciens et ingénieurs du Dapnia, par une collaboration exemplaire, sont à l’origine de l’idée et de la conception du toroïde. Après avoir pris en charge la construction, à Saclay, d’une bobine prototype B0 à l’échelle 1/3, testée avec succès en 2001, le Dapnia fut également responsable du suivi industriel^* de la construction du toroïde dans le cadre d’un accord de collaboration signé avec le Cern en 1997. Dans cet important projet, on trouve à côté du Dapnia, le Laboratorio acceletori e superconduttività applicata (Milan) de l’INFN et plusieurs équipes du Cern, chacun apportant sa contribution à différentes parties de l’aimant.

*La collaboration avec l’industrie européenne s’est imposée pour fabriquer le toroïde; C’est ainsi que le Dapnia a travaillé avec Technicatome pour la France, ASG-Superconductors pour l'Italie, Leipert et EAS pour l’Allemagne, Corus et Exotech pour les Pays-Bas, HTS pour la Suisse, FCM pour l’Espagne , RusAl en Russie et MZOR en Bielorussie.

Diagramme montrant la montée en courant et la décharge rapide

Une plaque de référence, équipée de 8 caméras infrarouge, montée sur une bobine du toroïde.

Les huit bobines de l’aimant central font partie d’un spectromètre de grande dimension destiné à la mesure des trajectoires des muons issus des collisions entre protons au centre d’Atlas. Ce spectromètre permet, grâce à 3 couches concentriques de détecteurs de type « chambres à fils » de mesurer très précisément la courbure de ces trajectoires dans le champ magnétique de l’aimant.

Ce test a permis par ailleurs de vérifier le bon fonctionnement du système d’alignement des détecteurs de muons, réalisé par une collaboration entre le Dapnia et plusieurs laboratoires en Europe et aux États-Unis.

L’ensemble des 650 chambres réparties en trois couches est conçu pour mesurer la courbure de la trajectoire des muons dans le champ magnétique avec une précision de 50 microns. Pour atteindre cette performance, le spectromètre est équipé d'un réseau de 5800 triplets de capteurs optiques contrôlant en permanence la position des chambres.

Le principe de ces capteurs optiques est simple : Une caméra CCD observe à travers une lentille une image cible. Ces trois éléments sont montés à des endroits stratégiques de l'expérience, et leurs déplacements relatifs induisent une variation de l'image vue par la caméra. La combinaison des 5800 réponses permet de connaître la position des chambres.

Outre sa mise en oeuvre sur les chambres du spectromètre, ce système d’alignement a également été utilisé avec succès pour observer l'évolution de la position des bobines magnétiques durant leur mise en courant. Une trentaine de plaques de référence portant des caméras infrarouge sont montées sur les bobines. Les huit bobines du toroïde sont ainsi alignées grâce à un réseau de 128 lignes de visée optiques.

à gauche : les 32 plaques de référence et les 128 lignes de visée permettant d�aligner les bobines du toroïde d�Atlas.
à droite : déplacement total observé par le système d�alignement sur chacune des huit bobines.

Évolution de la position verticale d'une bobine située en haut du toroïde, en fonction du courant.

Une déformation progressive de l’étoile formée par les bobines vers une forme ovale, d'une amplitude de 2 mm, a pu ainsi être observée. Cette amplitude est en bon accord avec les modèles utilisés pour le calcul des déformations mécaniques.

Pendant les tests du toroïde, des rayons cosmiques ont pu être enregistrés dans le spectromètre. À 100 m sous terre, dans la zone expérimentale d’Atlas, des muons ont été détectés par les trois couches de détecteurs baignant dans le champ magnétique, celui-ci ayant pour effet de courber les trajectoires des particules chargées. À partir des points de passage enregistrés, on reconstruit la trajectoire des muons ; la mesure de la courbure de la trajectoire et la connaissance de l’intensité du champ magnétique permettent de déterminer les caractéristiques du muon détecté : signe de la charge électrique, direction et énergie.

Ces tests ont ainsi également permis de valider les logiciels de reconstruction et de visualisation, développés par des physiciens du Dapnia.

Muon cosmique enregistré dans le spectromètre. L'effet du champ magnétique est visible par la courbure de la trajectoire (seuls les détecteurs concernés sont représentés). La trajectoire est reconstruite et visualisée avec les logiciels Muonboy et Persint, développés au Dapnia.

Seule la coopération très étroite entre les services du Dapnia (Service de physique des particules, Service des accélérateurs, de cryogénie et du magnétisme, Service d’ingénierie des systèmes, Service d’électronique, des détecteurs et d’informatique) a permis le succès de ce projet.

Cette réussite constitue l’aboutissement de plus de 10 ans d’effort dans le cadre d’une collaboration mondiale. Elle est une étape décisive vers la mise en service du détecteur Atlas au Cern, avant la prise de données prévue fin 2007.

Contacts : Jean Ernwein

Pierre Vedrine

Patrick Ponsot

#969 - Màj : 16/03/2010

Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers