Physique

Le CERN présente un nouvel accélérateur de particules

Le Linac 4 vient d’être inauguré au CERN. Visite de cet outil hors du commun, dont le rôle est d’augmenter la puissance du LHC

La famille des instruments géants du CERN s’agrandit. Linac 4, le nouveau venu (officiellement inauguré le 9 mai), est un accélérateur de particules linéaire flambant neuf destiné à alimenter en faisceaux le complexe d’accélérateurs du CERN, dont le fameux grand collisionneur de hadrons (LHC).

Présent sur place, Le Temps a pu découvrir cet instrument unique. Dans les entrailles souterraines du CERN, avec ses sas et portes de sécurité et ses pictogrammes plus ou moins inquiétants qui rappellent le jeu vidéo Half Life, le Linac 4 est une longue structure métallique d’environ 80 mètres, en forme de tuyau. Il est enfoui 12 mètres sous la surface, les appareils situés au rez-de-chaussée du bâtiment servant principalement à son alimentation électrique.

L’avantage avec les accélérateurs linéaires, c’est qu’on sait par où commencer la visite. Tout commence en l’occurrence avec… deux bouteilles d’hydrogène pressurisées. Leur gaz est constitué d’atomes qui formeront le faisceau de l’accélérateur. Difficile d’imaginer que les futures découvertes du CERN ont leur origine ici, dans ces humbles bouteilles!

Ces dernières émettent l’hydrogène dans une chambre à plasma, où il se mélange avec un autre gaz, le césium. Là, dans cet espace gros comme le poing, la chimie opère: le césium cède des électrons à l’hydrogène qui devient un ion hydrure H- constituant le faisceau à accélérer ensuite.

Fabriquer une telle source à ions n’a pas été une mince affaire. Près de dix ans de travail ont été nécessaires. «Cela a été un défi en termes d’ingénierie, notamment pour concevoir le design des électrodes sur lesquelles se dépose le césium», raconte Maurizio Vretenar, le chef du projet Linac 4.

Il faut accélérer

Les ions H- produits, il reste donc à les accélérer. La première étape, toujours dans la source, consiste à les soumettre à un courant électrique d’environ 45 kilovolts. Ainsi éjectés sous l’effet d’une telle tension, ils sont progressivement accélérés le long d’un tube en cuivre par des ondes électromagnétiques à haute fréquence arrivant dans des «guides d’onde», des tuyaux qui les transmettent sans perte dans l’air.

Les ondes arrivent du rez-de-chaussée, siège de la partie dédiée à l’alimentation. Elles sont produites à partir d’un courant électrique dans des appareils nommés «klystrons». Entre la prise électrique et les ondes pénétrant dans le Linac 4, le courant subit en tout trois transformations qui s’effectuent dans des alimentations électriques. Signe des temps qui changent, les appareils d’ancienne génération sont nommés d’après des prénoms féminins et côtoient d’autres instruments plus modernes ayant droit à des noms de bière.

Eviter une fâcheuse dispersion

Mais revenons à notre faisceau. «L’une des difficultés majeures est d’éviter [sa] dispersion», rappelle Maurizio Vretenar. Dans la nature, des particules chargées identiquement ont tendance à se repousser. C’est bien sûr le cas de tous ces ions H, que l’on veut au contraire compacter dans un faisceau de quelques millimètres de diamètre au maximum.

Pour ce faire, plusieurs champs magnétiques sont disposés le long du faisceau du Linac 4. Ils permettent de recentrer la trajectoire d’ions qui auraient tendance à s’écarter. Des solénoïdes, aimants en forme de spirale, sont ainsi placés dans la partie initiale du Linac 4, juste après la source à ions. Plus en aval, des quadripôles, aimants particuliers à quatre pôles, émettent des champs magnétiques de maintien qui remettent les ions déviés dans le droit chemin, c’est-à-dire en leur centre, non soumis au magnétisme.

En fin de course, un aiguillage envoie le faisceau soit dans un énorme bloc de béton où sont piégés les ions pour éviter leur dispersion dans l’air ambiant, soit en direction du LHC.

Le trou est prêt, mais les deux instruments ne sont pas encore reliés: la jonction n’est pas prévue avant 2019. «Il faudra encore mener beaucoup de tests de fiabilité», prédit Maurizio Vretenar. Linac 4 et LHC ne seront de toute façon pas directement connectés: les ions, alors débarrassés de leurs électrons (ce seront alors des protons), passeront par les différents accélérateurs du CERN, notamment le PS Booster et le PS, avant de s’élancer à des vitesses vertigineuses dans le LHC.

En tant que premier accélérateur du complexe genevois, le Linac 4 occupe une position stratégique. C’est lui qui donnera cette impulsion originelle aux ions, la plus importante. «Le projet du CERN est d’améliorer d’ici à 2026 le LHC en HL-LHC, autrement dit de multiplier par un facteur 5 sa luminosité. A lui seul, le Linac 4 y contribuera par un facteur 2», se réjouit le chef de projet. L’accélérateur remplacera bientôt le Linac 2, mis en service en 1978. Si tout se passe comme prévu, le HL-LHC (pour haute luminosité) devrait donc bénéficier d’un faisceau à la densité accrue, propice, pourquoi pas, à de futures découvertes sur l’Univers.

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