Le système magnétique du détecteur Atlas installé sur le Large hadron collider (LHC) au Cern, est formé de plusieurs aimants supraconducteurs fonctionnant à la température de l’hélium liquide, soit –269 °C. Il comprend un toroïde central, deux toroïdes d’extrémité et un solénoïde central. L’Irfu a été responsable de la conception et du suivi industriel de la construction du toroïde central dans le cadre d’un accord de collaboration signé avec le Cern en 1997.
L’expérience Atlas
L’expérience Atlas comprend un spectromètre à muons de grande dimension permettant, grâce à 3 couches concentriques de détecteurs du type chambres à fils, de mesurer précisément la trajectoire des muons courbée par un champ magnétique intense. Pour produire un tel champ, les ingénieurs-chercheurs de l’Irfu ont conçu un aimant comprenant huit bobines supraconductrices de forme rectangulaire de 25 m de long sur 5 m de large, alimentées par un courant de 20500 A. 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.
Vue du toroïde central et d’un des deux toroïdes d’extrémité en cours d’installation.
Les huit bobines supraconductrices de l’aimant toroïdal
Trente kilomètres de câbles supraconducteurs ont été nécessaires pour fabriquer ces bobines qui sont refroidies par de l’hélium liquide. Les huit bobines ont été testées une par une en surface avec un courant de 22000 A, puis assemblées en 2005 dans la caverne d’Atlas à 100 m sous terre, à l’aide d’une structure métallique en aluminium. Positionnées en étoile à quelques millimètres près, ces bobines occupent un volume équivalent à celui d’un immeuble de six étages. La structure qui supporte les 1400 tonnes du détecteur de muons résiste à d’importantes forces magnétiques.
Mise en fonctionnement
Le toroïde central a été refroidi à 4 K pour la première fois de juin à juillet 2006, puis testé avec un courant de 21000 A dans la nuit du 9 novembre 2006. Ce premier test ayant démontré son bon fonctionnement, le toroïde central a été mis en série avec les toroïdes d’extrémités développés par le Rutherford Appleton Laboratory en collaboration avec le NIKHEF et le Cern. Ces deux toroïdes sont attirés vers le toroïde central par une force de 240 tonnes.
La première montée des trois aimants au courant nominal a eu lieu le 4 août 2008 et a été effectuée en 3 heures. Des tests de longue durée ont été effectués tout le long du mois d’août, ainsi que des essais de décharge rapide du courant en 3 minutes. Les toroïdes ont ensuite été testés en même temps que le solénoïde central de 2 T, aimant développé par le High Energy Accelerator Research Organization (KEK) au Japon.
Tous les tests de fonctionnement ont donc été réalisés avec succès pour ce qui constitue désormais le plus grand système d’aimants supraconducteurs au monde. Une fois sous tension, le système magnétique d’Atlas stocke une énergie magnétique de plus de 1,6 GJ, équivalente à celle nécessaire pour soulever la tour Eiffel à une hauteur de 15 m.
Cette réussite constitue l’aboutissement de plus de 15 ans d’effort dans le cadre d’une collaboration mondiale. Le détecteur Atlas est maintenant opérationnel et, avec le démarrage du LHC effectif depuis fin 2009, permet la mesure des particules émises lors de la collision des protons en vue de la découverte du boson de Higgs. Tout au long de cette période, le SACM a joué un rôle majeur dans la conception, le développement, la réalisation industrielle, l’assemblage et le test des bobines, ainsi que dans l’assemblage et le test du toroïde en caverne.
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• Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
