Collimation : la voie du silicium
Des cristaux de silicium pourraient être utilisés de manière très efficace pour dévier des faisceaux à haute énergie. Une campagne de tests menée au CERN s’est révélée concluante et pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de collimateurs.
1) Le faisceau passe sans « voir » les cristaux et n’est pas défléchi.
2) Le faisceau est défléchi par canalisation (avec un angle autour de 100 μrad).
3) Le faisceau est réfléchi (avec un angle autour de 50 μrad).
L’intensité du faisceau défléchi est représentée par l’intensité de la tâche. Le faisceau réfléchi est clairement plus intense que le faisceau canalisé montrant l’efficacité de la technique de réflexion par rapport à la technique de canalisation.
Le nettoyage du faisceau, autrement dit l’élimination des particules déviées de la trajectoire normale de circulation du faisceau, est un problème crucial pour le LHC. Ces particules perdues peuvent en effet provoquer des « quenches » (transitions résistives) des aimants et endommager des éléments de la machine. L’accélérateur sera donc équipé d’un système sophistiqué, avec une centaine de collimateurs, des blocs de graphite, de cuivre, de tungstène et de carbone renforcés par des fibres, disposés en plusieurs points de l’anneau.
Mais une équipe de recherche associant des chercheurs du CERN, de l’Institut national de physique nucléaire italien (INFN), de l’Institut de physique nucléaire de Saint-Petesbourg (PNPI), de l’Institut de physique des hautes énergies de Protvino (IHEP) et de l’Institut unifié de recherches nucléaires de Doubna (JINR), a réalisé d’importants travaux sur des cristaux de silicium qui pourraient être d’une grande utilité pour les futurs collimateurs du LHC et les accélérateurs de haute énergie.
L’équipe dirigée par Walter Scandale du CERN a utilisé les propriétés de réflexion des cristaux pour dévier un faisceau de protons de 400 GeV du Supersynchrotron à protons. Cinq cristaux ont été alignés pour dévier le faisceau. Les résultats sont excellents : l’efficacité de la réflexion sur le volume du faisceau atteint 98% par cristal. Avec l’alignement des cinq cristaux, ce sont donc plus de 90 % des particules qui ont été défléchies. De plus, cette solution permet d’accepter une palette plus large d’angles incidents par rapport à la technique de canalisation (channeling). Dans cette technique, la structure ordonnée des cristaux est utilisée pour guider les particules chargées dans le puits de potentiel entre deux plans de cristaux. Cependant, pour être ainsi canalisées, les particules ne doivent posséder qu’une énergie transverse limitée, ce qui atténue l’efficacité de la méthode. À titre d’indication, sur le même faisceau, seulement 55 % des particules ont été défléchis avec la méthode de canalisation.
L’équipe a réalisé deux campagnes de tests, l’une en 2006 et l’autre au printemps. « Nous avons obtenu de bons résultats en un temps très court, ce qui est très appréciable », se félicite Walter Scandale. L’équipe prépare maintenant un système permettant d’aligner les cristaux à distance.
