Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Afin d’augmenter les performances des futurs accélérateurs de particules, des électro-aimants supraconducteurs à haut champ (supérieurs à 16 T) à base de REBCO sont étudiés. Le LEAS du CEA Paris-Saclay a participé à deux projets importants en collaboration avec le CERN et d’autres laboratoires européens (EUCARD et EUCARD2) pour le développement des dipôles très haut champ utilisant des matériaux supraconducteurs dits à haute température critique (SHTc) de seconde génération de type REBCO (RE, pour Rare Earth, étant une terre rare comme l’Yttrium). Le retour d’expérience sur ces deux projets a montré la nécessité d’améliorer la conception et la protection de ces aimants lorsque survient un ‘quench’. En effet l’endommagement est récurrent lors d’une transition résistive ou ‘quench’ (passage de l’état supraconducteur à l’état résistif) à cause d’une augmentation de température très localisée. Une technique innovante de bobinage MI (Métalliquement Isolé) a été utilisée pour la réalisation d’un solénoïde SHTc qui a atteint la valeur record mondial de 32,5 T (dans un aimant résistif générant 18 T) et a survécu à un quench à cette valeur. Ces résultats prometteurs nous poussent à étudier cette solution pour les aimants dipolaires très haut champ (> 16 T) d’accélérateur. La thèse permettra d’adapter les codes de calculs existants pour les solénoïdes à une géométrie dipolaire afin de déterminer les meilleurs paramètres de bobinage et d’anticiper les comportements de la bobine finale. Le/la doctorant(e) participera aussi à la conception, à la réalisation et aux tests d’un ou plusieurs prototypes ainsi qu’aux développements technologiques nécessaires.

Au sein du CEA-IRFU (Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l'Univers), le DACM (Département des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme) est un acteur majeur au niveau national et international dans le domaine des accélérateurs de particules. Il a activement participé à la plupart des projets d'accélérateurs des plus grands centres de recherche du monde ces dernières décennies. Un pan important de ces activités concerne la conception d'accélérateurs, linéaires ou circulaires, pour la physique des hautes énergies ou toute autre application scientifique. Le domaine de la physique des accélérateurs, nécessite des connaissances approfondies en dynamique des faisceaux de particules. Dans cette discipline, le DACM est aussi impliqué dans des nouvelles techniques d'accélération de type laser-plasma, avec l’objectif de concevoir des accélérateurs laser-plasma (ALP) par effet de sillage qui permettront de réduire significativement la taille et les coûts des accélérateurs du futur. Des collaborations avec des partenaires internationaux (EuPRAXIA, CERN-AWAKE) ou nationaux (CNRS-LPGP, CNRS-IJCLab) ont été engagées pour la conception d'ALP dans des configurations et applications variées. Le DACM est actuellement impliqué dans la conception d’un ALP fiable et compacte qui doit servir de source d’électrons pour la collaboration AWAKE. Un tel accélérateur serait une première mondiale. Afin de prouver sa viabilité, l’ALP doit générer des faisceaux reproductibles de haute qualité. Des optimisations physiques et numériques détaillées, de l'injection jusqu'à l'utilisateur final vont devoir être mises en œuvre. Le (la) candidat(e) sera aussi impliqué dans les autres projets d’ALP du DACM.



La thèse portera sur l'étude physique et numérique des sections d'accélération plasma et des lignes de transfert assurant le transport du faisceau entre les différentes sections accélératrices et vers l'utilisateur final. Le cœur des études portera sur le contrôle de la qualité du faisceau de particules (caractéristiques de taille, de divergence, de dispersion en énergie, …) qui résulte de l'interaction laser-plasma et des champs électromagnétiques appliqués. L'intégration optimale des sections d'accélération et de transport sera alors à déterminer. On cherchera à chaque étape à mettre en évidence les principes fondamentaux permettant d'obtenir les paramètres faisceau optimum, puis à les appliquer aux autres projets de conception d’ALP dans lesquels le DACM est impliqué. Des optimisations à l’aide d’algorithme d’apprentissage machine sont également envisagées.



Le succès de ces études est fortement conditionné par une solide compréhension des phénomènes physiques en jeu (espace de phase 6D du faisceau, champ de sillage dans les plasmas soumis à des lasers ultra-intenses, champ multipolaire des électroaimants) et par une bonne utilisation des codes de simulation appropriés.

Suite à la découverte du boson de Higgs au LHC, la communauté de physique des particules explore et propose de futurs accélérateurs, pour répondre aux questions ouvertes sur les constituants élé-mentaires de l’univers. Une des possibilités étudiées est FCC (Future Circula Collider), un colli-sionneur de 100 km au CERN. La version hadronique de FCC (FCC-hh) semble être la seule solution pour atteindre des domaines d’énergie bien au-delà du LHC, dans un futur relativement proche, donnant un accès direct à de nouvelles particules avec des masses jusqu’à des dizaines de TeV. Les taux de production dans les domaines des masses en deçà du TeV sont sans commune mesure avec la version électronique de FCC, ouvrant la porte à des études de physique de précision. Une première étude de faisabilité n’a montré aucun obstacle majeur pour ces collisionneurs, mais a identifié plusieurs défis spécifiques à la dynamique des faisceaux: une grande circonférence (avec les problèmes de génie civil), une faible emittance géométrique, la stabilité du faisceau avec de forts courants, une énergie de colli-sion et une luminosité sans précédent, une énorme quantité d’énergie emmagasinée dans le faisceau, une grande puissance de rayonnement synchrotron et les mécanismes d’injection. Cette thèse portera sur l’optimisation de la version hadronique du futur collisionneur circulaire face aux imperfections linéaires et non linéaires (i.e. les alignements et qualités de champs des aimants). Un point central sera la comparaison des méthodes actuelles de correction, déjà très avan-cées, à celles émergentes et complémentaires basées sur l’apprentissage automatique. L’application de ces techniques aux accélérateurs est l’un des sujets d’actualité dans le domaine et poursuivi dans le monde entier.