Précis par nature
Ils sont plus d'une centaine le long de l'anneau du LHC et ils présentent au total environ 400 variables. Chacun d’entre eux est doté de 4 moteurs et les plus récents disposent de leurs propres capteurs de faisceau. Leurs mâchoires forcent les particules relativistes de haute énergie à rester dans une très petite zone transverse et protègent l’ouverture de la machine. Il s’agit bien sûr des collimateurs du LHC, ces instruments d’une extrême précision qui ne laissent aucune chance aux particules instables en fuite.
La structure interne d'un nouveau collimateur du LHC équipé d'un système spécial de contrôle du faisceau, dont on reconnaît un des quatre capteurs (flèche rouge).
Conçus au CERN, mais produits pour la plupart par des entreprises très spécialisées en Europe, les collimateurs du LHC comptent parmi les éléments les plus complexes de l’accélérateur. Leur rôle est de maîtriser, et de supprimer en toute sécurité, les particules du halo générées par les inévitables pertes de faisceau provenant du cœur du faisceau en circulation. « Le système de collimation du LHC a été conçu pour faire en sorte que les pertes de faisceau dans les aimants supraconducteurs restent au-dessous du seuil de transition résistive à toutes les phases de l’exploitation, explique Stefano Redaelli, du département Faisceaux, chef du projet de collimation du LHC. En vue de la seconde exploitation du LHC, à haute énergie, il a été décidé d’optimiser divers aspects du système. En particulier, 18 collimateurs seront remplacés par de nouveaux dispositifs de conception innovante. »
Pour la deuxième exploitation du LHC, le système de collimation sera composé de 118 dispositifs au total, répartis en plusieurs points de l’anneau et des lignes de transfert, mais essentiellement au niveau des régions d’insertion chaudes, autour des points 3 et 7. Des collimateurs sont également installés près des points d’interaction où les faisceaux sont optimisés pour les collisions. « En contrôlant les pertes de faisceau, les collimateurs protègent les éléments délicats de la machine, aident à réduire la dose totale de rayonnements reçue par les équipements de l’accélérateur, et optimisent le bruit de fond pour les expériences », explique Stefano.
Les exigences de nettoyage du faisceau dans le LHC dépassent celles des machines précédentes de plusieurs ordres de grandeur. Dans un collisionneur, les pertes de faisceau sont causées par différents facteurs : collisions aux points d’interaction, interaction des particules du faisceau avec le gaz résiduel, interactions des particules entre elles à l’intérieur des paquets, instabilités du faisceau ou variations de la dynamique au cours d’un cycle d’exploitation (dérive de l'orbite, variations de l'optique, montée en énergie, etc.). Tous ces effets peuvent varier dans le temps, en fonction de divers paramètres liés au faisceau et à la machine. C’est pourquoi le système de collimation doit présenter une grande souplesse et être extrêmement fiable. « Chaque collimateur du LHC est programmé pour s’adapter aux variations d’énergie et d’optique durant un cycle d’exploitation de la machine. On fait varier l’ouverture des collimateurs en fonction des exigences, qui dépendent des fonctionnalités propres à chaque dispositif, précise Stefano. Les mâchoires peuvent se déplacer à une vitesse variable et être commandées par les opérateurs, lesquels peuvent également ajuster leur angle par rapport à la trajectoire du faisceau. Il s’agit d’un système très complexe, mais extrêmement performant, le nec plus ultra pour les collisionneurs de hadrons. »
Afin de réduire le temps de réglage des collimateurs et de mieux ajuster le centrage des collimateurs autour du faisceau, les collimateurs les plus récents ont été équipés d'un système spécial de contrôle du faisceau composé de 4 capteurs, 2 par mâchoires, situés à chaque axe de moteur. « Cette nouvelle fonction nous aidera à contrôler "en direct" la position du faisceau incident, et cela avec une précision accrue, explique Stefano. La conception des nouveaux collimateurs est le résultat d’une collaboration étroite et fructueuse entre les départements BE, EN et TE. Les quatre premiers collimateurs – deux produits en interne et deux dans l’industrie – ont été réceptionnés, et l’on prépare à présent leur installation. » Durant le LS1, les équipes remplaceront 18 collimateurs en donnant la priorité à ceux qui protègent les expériences. De futures campagnes d’optimisation permettront progressivement d’améliorer d’autres parties de la machine.
