31 mai 2017
Linac 4 : Un nouvel injecteur pour le Cern

Le CERN a inauguré le 11 mai un tout nouvel accélérateur linéaire, le Linac 4. Conçue avec des contributions française de trois laboratoires français (LPSC, LAL et Irfu), cette machine est la dernière construite depuis le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Elle deviendra, à son entrée en service en 2020, le nouveau premier maillon de la chaîne d’accélérateurs du Cern. Elle fournira des faisceaux de protons à de nombreuses expériences et permettra au LHC d’atteindre une luminosité plus élevée.

Les injecteurs sont des maillons essentiels dans le complexe accélérateurs : c’est là que les particules produites reçoivent l’accélération initiale. Ils définissent la densité et l’intensité des faisceaux de particules. À 12 mètres sous terre et d’une longueur de 90 mètres, le Linac 4 (linear accelerator 4) aura été construit sur 10 ans. Après une période intensive de tests, il sera relié au complexe des accélérateurs du Cern lors du prochain long arrêt technique, en 2019-2020 et remplacera le Linac 2, en service depuis 1978, pour la production des faisceaux de protons.

Une collaboration internationale et trois laboratoires français impliqués

La conception et la construction de cette nouvelle machine est le fruit d’une collaboration internationale. Depuis environ 15 ans et dans le cadre de la contribution exceptionnelle de la France, en tant que pays hôte, à la construction du LHC, les ingénieur.e.s et technicien.ne.s des trois laboratoires français sont impliqué.e.s dans cette aventure.

Le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (LPSC, CNRS/Université Joseph Fournier/Grenoble INP) à Grenoble et l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu - CEA) à Saclay ont ainsi participé aux premières études de conception générale et de dynamique des faisceaux. L’Irfu a ensuite été impliqué dans la conception, la caractérisation et la mise en service du quadripôle radiofréquence ou RFQ, la première des cavités accélératrices de l’accélérateur qui permet principalement de séparer les particules du faisceau en paquets avant de les accélérer. Le LPSC a lui conçu et fourni l’amplificateur radiofréquence alimentant les cavités radiofréquences dites "bunchers", qui permettent de regrouper un peu plus ces paquets. Enfin, au Laboratoire de l’accélérateur linéaire d’Orsay (LAL, CNRS/Université Paris Sud), les ingénieur.e.s et technicien.ne.s ont pris en charge la conception et la fourniture des modulateurs radiofréquences pour l’alimentation des klystrons de l’accélérateur. Ces modulateurs comptent parmi les équipements les plus critiques pour l’opération de Linac 4.

Un premier pas vers un LHC haute luminosité

Le Linac 4 enverra des ions d’hydrogène négatifs (un atome d’hydrogène et deux électrons), au booster du synchrotron à protons (PSB) du Cern, où ils seront épluchés de leurs électrons avant de subir une nouvelle accélération. Le faisceau fourni par Linac 4 atteindra une énergie de 160 MeV, soit plus de trois fois l’énergie atteinte par son prédécesseur Linac 2. L’augmentation de l’énergie de faisceau, couplée à l’utilisation d’ions d’hydrogène négatifs, permettra de doubler l’intensité fournie au PSB, ce qui contribuera à accroître la luminosité du LHC.

La luminosité est un paramètre permettant de mesurer le nombre de particules entrant en collision en un temps donné. Il est ainsi prévu que la luminosité crête du LHC soit augmentée d’un facteur deux grâce au Linac 4 dès 2020 puis d’un facteur 10 à partir de 2026 avec la mise en route du LHC haute luminosité (HL-LHC). Les expériences pourront ainsi accumuler bien plus de données que jusqu’à présent, ce qui permettra aux chercheur.e.s de réaliser des mesures plus précises sur les particules fondamentales comme le boson de Higgs et augmenter leurs chances de découvrir des processus rares, inaccessibles avec le niveau de sensibilité actuel de la machine.

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