Physique des particules

Lifting de haute-technologie pour l’accélérateur de particules LHC du CERN

Un an après l’accident qui a conduit à son arrêt total, l’accélérateur de particules est à nouveau prêt à ouvrir de nouveaux chapitres de la physique. Tour d’horizon des réparations, dont l’une permet notamment de détecter des résistances électriques de l’ordre du milliardième d’Ohm, un record!

Ça recommence à chauffer dans l’endroit le plus froid du monde. Un peu plus d’une année après l’accident qui a mis un arrêt brutal à la mise en route du Grand Collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, les particules se sont remises à circuler dans l’accélérateur, après des travaux qui ont coûté environ 23 millions d’euros.

Les aimants supraconducteurs sont refroidis à la température de 1,9°Kelvin, juste au-dessus du zéro absolu (–273,25°C). Des ions (atomes chargés) de plomb ont été injectés avec succès fin octobre sur un huitième de la longueur de l’anneau et des protons ont effectué un demi-parcours début novembre, terminant leur course dans le détecteur géant CMS.

La mise sous tension de la plus grande machine du monde semble se dérouler parfaitement et tous les voyants de sécurité sont au vert. Un premier tour complet de l’accélérateur avec des protons est prévu pour la fin de cette semaine avant d’entamer une montée en puissance progressive. Les ingénieurs du CERN reviennent de loin.

A la source du mal

Le court-circuit qui a eu lieu le 19 septembre 2008, alors que les particules effectuaient leur premier tour de piste, a en effet surpris les concepteurs de la machine. «Nous ne nous attendions pas à ce type d’accident ni à de tels dégâts, admet Steve Myers, directeur des accélérateurs et de la technologie. L’incident nous a donné beaucoup de travail et nous a obligés à trouver des solutions inédites. Mais le LHC est un prototype, et c’est normal d’avoir des accrocs. D’ailleurs nous en avons connu avec toutes les machines précédentes.»

Cette fois-ci, il a tout de même fallu faire les choses en grand. La première mesure a été de retirer 53 aimants dipolaires (longs tubes bleus de 15 mètres de long) du secteur touché. Une bonne quinzaine ont été rénovés et remis à leur place dans le tunnel. Les autres, ayant subi des dommages plus importants, ont été remplacés par des aimants gardés en réserve et serviront eux-mêmes, après rénovation, comme futures pièces de rechange. Les techniciens en ont profité pour renforcer les ancrages au sol d’une cinquantaine d’aimants. Les supports de certains d’entre eux ont en effet subi des dégâts (quelques-uns ont été arrachés) lors de l’accident.

Les ingénieurs se sont ensuite attaqués à la source du mal: les 10 000 connexions supraconductrices qui relient les aimants entre eux et dont une a cédé, provoquant les incidents en cascade. Ces ­connexions sont composées d’une partie supraconductrice, dont la résistance électrique devient négligeable au-dessous d’une certaine température, doublée d’une autre en cuivre censée transporter le courant en cas de défaillance de la première. Une cinquantaine de ces pièces ont été entièrement remplacées et 150 autres ont dû subir une réparation partielle.

Dispositif de surveillance

Mais la prouesse la plus importante qu’a exigée la réparation du LHC a été la conception et l’installation d’un nouveau dispositif électronique de surveillance. Ce dernier est maintenant capable de mesurer quasiment en temps réel la moindre augmentation anormale de la résistance électrique des connexions. Il est 3000 fois plus sensible que le système en activité en automne 2008.

«Il y a un an, je ne pensais pas qu’il était possible d’arriver à une telle précision, s’enthousiasme Steve Myers. Nous pouvons maintenant détecter une augmentation de la résistance électrique aussi minime qu’un milliardième d’Ohm, ce qui est un record. Nous avons déjà testé avec succès le dispositif sur cinq des huit secteurs de l’anneau. Grâce à lui, nous ne travaillons plus dans le noir.»

Nouvelles soupapes

Une autre intervention d’importance a été l’installation de nouvelles soupapes d’évacuation de l’hélium. L’arc électrique à l’origine de l’accident a en effet perforé l’enceinte dans lequel l’hélium était confiné à 1,9°K. En sortant, le liquide s’est évaporé subitement. Un dispositif de sécurité prévu à cet effet s’est bien déclenché pour évacuer l’hélium en urgence, mais il était sous-dimensionné. Le choc dû à la surpression du gaz a arraché les aimants de leur ancrage au sol.

Les ingénieurs ont donc installé 900 nouvelles soupapes sur les aimants du LHC. Environ 650 supplémentaires le seront en 2010. «En refaisant nos calculs, grâce aux informations que cet accident nous a fournies, nous avons imaginé le pire des scénarios possibles, précise Steve Myers. Et nous avons dimensionné tout le dispositif de sécurité pour un événement encore deux fois plus grave que cela. Je pense que nous sommes désormais en mesure de pouvoir protéger le LHC contre d’autres accidents et lui assurer un bon fonctionnement sur 15 ou 20 ans.»

A la traque du boson de Higgs

D’ailleurs, si les premiers essais de faisceau sur un tour complet se déroulent bien, le LHC devrait entamer une montée en puissance progressive. L’énergie des protons devrait d’abord atteindre 1,2 TeV (teraélectronvolts) au cours de ces prochaines semaines. Les ingénieurs pourront donc admirer les premières collisions avant Noël.

Dans le courant 2010, l’énergie sera portée à 3,5 TeV durant quelques mois permettant aux chercheurs et techniciens de se familiariser avec la machine tout en explorant déjà des domaines encore inconnus de la physique. L’énergie des faisceaux sera ensuite montée à 5 TeV. Le stade suivant passera par l’arrêt de la machine afin d’apporter quelques améliorations en vue d’atteindre les 7 TeV. Et de chasser enfin sur les terres du boson de Higgs, la particule qui permet d’expliquer la valeur des masses de toutes les autres particules de l’univers.

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