Les défis technologiques

Le LHC est l’accélérateur de tous les superlatifs : les plus hautes énergies jamais atteintes par l’Homme, la plus grande « machine » scientifique jamais réalisée, la plus grosse concentration de chercheurs, etc.
Avec un tel cahier de charges, le LHC a permis à de nombreuses technologies de pointe dans le domaine de la cryogénie, du vide, de la supraconductivité... de se développer. Les laboratoires de recherche et les industriels français ont largement contribué à tous ces développements.

On considère que le point de départ du LHC peut être situé lors d’une réunion de l’ECFA, comité européen pour les futurs accélérateurs, en 1984 à Lausanne. Mais déjà des ingénieurs se penchaient sur l’idée, depuis 1981. Arriver à tenir la route pendant toutes ces années, voilà le premier défi du LHC.

Des supraconducteurs par milliers

Le principal défi technologique concerne bien sûr les aimants supraconducteurs. Dans le monde des grands accélérateurs, seul le Tévatron de Fermilab (Chicago, USA), anneau de 3 km, est équipé d’aimants supraconducteurs. Pour le LHC, il fallait tout dépasser d’un ordre de grandeur. Les aimants de courbure, les dipôles, doivent intégrer dans une même culasse deux aimants, pour les deux tubes à vides où les protons circulent en sens inverse. Ces aimants, de 15 m de long et d’environ 35 tonnes, produisent en leur cœur un champ magnétique de 9 teslas, environ 200 000 fois le champ magnétique terrestre. Il a fallu les construire à l’échelle industrielle, car le LHC en nécessite 1232 ! La moitié de ces aimants a été construite par un consortium français composé par les sociétés Alstom et Jeumont.

Les aimants de courbures sont la partie la plus imposante de l’appareillage, mais il ne faut pas oublier les aimants quadripôles, destinés à focaliser les paquets de particules accélérés. Ces aimants intègrent eux aussi deux tubes à vide, et sont intégrés dans les sections courbes et dans les sections droites, on en compte plus de 500, de 2 à 5 m de long. La conception de ces aimants inédits a été confiée au Service des accélérateurs, de la cryogénie et du magnétisme de l’Irfu, au CEA de Saclay.

De son côté, l’Institut de physique nucléaire d’Orsay (Université Paris-Sud 11, CNRS/IN2P3) a eu en charge la conception industrielle des cryostats des sections droites et de tous les équipements nécessaires à leur assemblage.

A ces aimants, il faut ajouter tous les systèmes de correction, basés eux aussi sur des aimants supraconducteurs, ce qui fait un total de presque 6000 unités supraconductrices, un record !

Un contrôle des faisceaux extrêmement précis

Un des effets perturbateurs des faisceaux consiste en l’interaction entre les particules, car à chaque croisement les paquets s’influencent mutuellement, et cela se reproduit à chaque tour. Ces effets non linéaires ont été soigneusement étudiés, pour trouver un mode de fonctionnement à très haute énergie évitant toutes les fréquences parasites, et grâce à la mise en place de nombreux aimants de corrections : sextupôles, octupôles, decapôles, dodecapôles. L’énergie stockée dans un faisceau atteint l’équivalent de 60 kg de TNT, ce qui nécessite des systèmes de déviation en urgence, les kickers, ultra rapide : leur champ magnétique doit être monté en moins de 3 microsecondes. Pour protéger les différents appareils, des collimateurs extrêmement fins ont dû être conçus : lorsque les faisceaux tournent, ils passent dans des fentes de 3 mm de large, entre des blocs de 1,20 m de long.

Une usine cryogénique à l’échelle planétaire

Les aimants fonctionnent à la température de l’hélium superfluide, soit 1,9 K ou -271,2 °C. Au total, ce sont quelques 40 000 tonnes de matériaux qui doivent être à cette température, ce qui fait du LHC l’endroit le plus froid de l’Univers, car le vide intersidéral est à 3 K, température du rayonnement cosmologique. La distribution du froid est assurée par une ligne cryogénique, construite par la société Air Liquide, qui parcourt les 27 km de l’anneau.
Les aimants sont refroidis à 80 K à l’aide de 12 500 tonnes d’azote liquide, puis à 1,9 K grâce à quelques 700 m3 d’hélium liquide. Pour refroidir l’azote et l’hélium, il a fallu construire pour chaque circuit 8 stations de refroidissement de 600 et 140 kilowatts chacune, dont la moitié ont été fournies par Air Liquide. Seules deux compagnies au monde pouvaient répondre à cette demande.

Le CEA a participé à la conception du sous-ensemble cryogénique nécessaire au maintien de l’ensemble de l’accélérateur à des températures proches du zéro absolu.

Le CNRS/IN2P3 a de son côté étudié et étalonné plus de 6 000 thermomètres pour mesurer et contrôler tous les éléments supraconducteurs du LHC.

Un vide très poussé

Afin d’éviter des collisions avec les molécules de gaz présentes dans l’accélérateur, les faisceaux de particules voyagent dans une cavité aussi vide que l’espace interplanétaire, ce qu’on appelle l’ultravide. La pression interne du LHC est de 10-13 atmosphère, ce qui est dix fois inférieur à la pression régnant sur la Lune.
Le vide est également nécessaire pour l’isolation thermique des aimants dans leur cryostat.

Des cathédrales souterraines

Pour accueillir les expériences dans les zones de croisement des faisceaux, les halls souterrains excavés pour le LEP étaient insuffisants. Des travaux de génie civil particulièrement délicat ont été nécessaires pour creuser les nouveaux puits d’accès et les cavernes. Pour creuser dans les couches humides, on les a congelées en y injectant de la saumure à -23 °C, puis de l’azote liquide à -80 °C. D’énormes soutiens en béton ont été nécessaires pour renforcer les parois des salles.
La caverne d’Atlas fait 35 m de large, 55 m de long et 40 m de hauteur. Celle de CMS ne fait « que » 27 m x 53 m x 24 m. Et tout cela a été creusé à 100 m de profondeur !

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