Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Une collaboration internationale et trois laboratoires français impliqués

La conception et la construction de cette nouvelle machine est le fruit d’une collaboration internationale.  Depuis environ 15 ans et dans le cadre de la contribution spéciale de la France, en tant que pays hôte, à la construction du LHC, les ingénieur.e.s et technicien.ne.s des trois laboratoires français sont impliqué.e.s dans cette aventure.

Le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie à Grenoble (LPSC, CNRS/Université Joseph Fournier/Grenoble INP) et l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu - CEA) à Saclay ont ainsi participé aux premières études de conception générale.

L’Irfu a en effet fourni la suite des codes de dynamiques faisceaux qui ont permis de réaliser le design de l’accélérateur complet. Activement utilisés durant les étapes de commissioning, leur prédictivité vérifié en conditions réelles  a permis aux équipes de progresser plus rapidement vers le réglage nominal de la machine. L’Irfu a aussi été impliqué dans la conception de la première cavité accélératrice appelé quadripôle radiofréquence ou RFQ. Cette cavité longue de 3 mètres et en cuivre  permet principalement de séparer les particules du faisceau en paquets avant de les accélérer. L’Irfu a réalisé le design RF et thermomécanique du RFQ avant de participer au suivi de fabrication des  3 tronçons constituant cette cavité. L’Irfu a effectué le réglage RF de la loi de tension du RFQ définie par les codes de dynamiques faisceaux avant de participé à sa mise en service sur l’accélérateur.

 Le LPSC a lui conçu et fourni l’amplificateur radiofréquence alimentant les cavités radiofréquences dites « bunchers », qui permettent de regrouper un peu plus ces paquets. Enfin, au Laboratoire de l'accélérateur linéaire d’Orsay (LAL, CNRS/Université Paris Sud), les ingénieur.e.s et technicien.ne.s ont pris en charge la conception et la fourniture des modulateurs radiofréquences pour l’alimentation des klystrons de l’accélérateur. Ces modulateurs comptent parmi les équipements les plus critiques pour l’opération de Linac 4.

Un premier pas vers un LHC haute luminosité

Le Linac 4 enverra des ions d'hydrogène négatifs (un atome d'hydrogène et deux électrons), au booster du synchrotron à protons (PSB) du Cern, où ils seront épluchés de leurs électrons avant de subir une nouvelle accélération. Le faisceau fourni par Linac 4 atteindra une énergie de 160 MeV, soit plus de trois fois l'énergie atteinte par son prédécesseur Linac 2. L’augmentation de l’énergie de faisceau, couplée à l’utilisation d’ions d'hydrogène négatifs, permettra de doubler l'intensité fournie au PSB, ce qui contribuera à accroître la luminosité du LHC.

La luminosité est un paramètre permettant de mesurer le nombre de particules entrant en collision en un temps donné. Il est ainsi prévu que la luminosité crête du LHC soit augmentée d'un facteur deux grâce au Linac 4 dès 2020 puis d’un facteur 10 à partir de 2026 avec la mise en route du LHC haute luminosité (HL-LHC). Les expériences pourront ainsi accumuler bien plus de données que jusqu’à présent, ce qui permettra aux chercheur.e.s de réaliser des mesures plus précises sur les particules fondamentales comme le boson de Higgs et augmenter leurs chances de découvrir des processus rares, inaccessibles avec le niveau de sensibilité actuel de la machine.