Super et ferrique : le premier élément du HL-LHC est prêt

Bien que la phase d’installation proprement dite dans le tunnel ne doir débuter qu'en 2024, le premier aimant, un sextupôle, du LHC haute luminosité (HL-LHC) est prêt et fonctionne conformément aux spécifications. De plus, ce premier élément est assez unique car, contrairement aux aimants supraconducteurs utilisés actuellement dans le LHC, il repose sur un cœur « superferrique ».

Un expert du laboratoire LASA (INFN Milan, Italie) travaille sur l’assemblage du premier aimant sextupôle correcteur du HL-LHC. (Image : INFN Milan)

Malgré leur nom qui peut sembler totalement inconnu, les aimants superferriques ont été proposés pour la première fois dans les années 1980 comme une solution envisageable pour les collisionneurs de haute énergie. Toutefois, de nombreux problèmes techniques devaient être résolus avant que l’utilisation d’aimants superferriques puisse devenir réalité. Dans sa configuration finale, le HL-LHC sera doté de 36 aimants correcteurs superferriques, dont quatre quadripôles, 8 sextupôles et 24 aimants d’ordre supérieur.

Dans les aimants superferriques (ou composés principalement de fer), le fer est utilisé non seulement dans la culasse, comme dans un aimant supraconducteur standard, mais aussi dans les pôles qui forment le champ, tandis que les bobines sont composées d’un matériau supraconducteur qui est maintenu à des températures cryogéniques afin de réduire au minimum les pertes d’énergie. Les aimants superferriques se sont révélés hautement fiables, condition essentielle pour des machines telles que le HL-LHC, dans lequel, en période d’exploitation normale, des faisceaux de haute intensité devront effectuer des centaines de millions de tours dans des conditions stables avant d’être arrêtés en toute sécurité par les opérateurs.

Le premier aimant correcteur sextupôle superferrique est prêt pour les essais au laboratoire LASA (INFN Milan). (Image : INFN Milan)

Le CIEMAT a mis au point un aimant correcteur superferrique pour le projet SLHC-PP, et ce modèle a servi de point de départ pour les correcteurs du HL-LHC.  Par la suite, dans le cadre d’un accord de collaboration entre le CERN et l’INFN sur le projet HL-LHC signé en 2013, le laboratoire LASA de la section milanaise de l’Institut national italien de physique nucléaire (INFN) a pris la relève en tant que partenaire du projet. « Au LASA, nous nous sommes occupés de la conception, de l’assemblage et des essais de l’aimant, explique Giovanni Volpini de l’INFN Milan. Cela a été possible grâce aux compétences que le laboratoire a acquises en travaillant sur bon nombre des principaux aimants supraconducteurs pour la physique des hautes énergies. Mais c’est la première fois depuis de nombreuses années qu’un aimant supraconducteur grandeur nature est mis au point entièrement en interne. Nous sommes très satisfaits des résultats des derniers essais : l’aimant s’est révélé très stable, puisqu’il a permis d'atteindre et même de dépasser la valeur de champ maximale fixée dans le cahier des charges avant la survenue d’une transition résistive. La valeur de champ maximale que nous avons mesurée était près de 10 % supérieure à la valeur de champ nominale. La stabilité de l’aimant jouera un rôle essentiel pour garantir la fiabilité générale de l’ensemble du système de correction des faisceaux lorsque tous les éléments matériels auront été installés dans le tunnel. » « Le partenariat entre l’INFN et le CERN a été déterminant pour l’obtention de ces résultats, et il sera tout aussi important que les autres collaborations dans le cadre du projet HL-LHC pour la réalisation des objectifs du projet », précise Paolo Fessia du département Technologie, qui est responsable du projet au CERN.

Maintenant que le premier élément matériel a permis de démontrer que la technologie superferrique fonctionne comme prévu, les experts du HL-LHC et de l'INFN vont finaliser la conception des autres aimants correcteurs. Dans le même temps, d'autres groupes au sein de divers instituts à travers le monde conçoivent, construisent et testent d'autres éléments du HL-LHC, y compris les aimants à champ élevé, qui représentent un défi particulier. Le nouvel anneau commence à prendre forme.

par Antonella Del Rosso