Dans une semaine environ, des ions plomb seront envoyés du SPS vers le LHC afin d’entrer en collision dans les quatre grandes expériences de l’accélérateur – ALICE, ATLAS, CMS et LHCb. Il s’agit là d’un événement important pour la collaboration ALICE, qui attend avec impatience le retour aux collisions d’ions plomb depuis la fin du deuxième long arrêt (LS2), qui a été l’occasion d’apporter des améliorations à son détecteur. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) est un détecteur spécialisé dans la physique des ions lourds. Il a été conçu pour étudier les propriétés physiques de la matière soumise à l’interaction forte, à des densités d’énergie extrêmes auxquelles se forme une phase de la matière appelée plasma de quarks et de gluons.

La semaine suivante, le SPS fournira en outre aux expériences de la zone Nord des faisceaux d’ions plomb après extraction lente avec des impulsions de 4,5 secondes par cycle. L’expérience NA61/SHINE est la principale utilisatrice des faisceaux d’ions plomb dans la zone Nord, mais ceux-ci seront également destinés à d’autres installations pendant la courte période où ces ions seront disponibles.

Au cours des deux dernières semaines de la période d’exploitation de quatre semaines en 2023, le PS fournira des ions plomb à la zone Est, où l'installation CHIMERA irradie des dispositifs électroniques au moyen d’ions lourds à haute énergie afin d'étudier les effets du rayonnement cosmique sur l’électronique utilisée dans les accélérateurs et les expériences du CERN, ainsi que pour les missions spatiales et l'avionique.

Bien que la période de physique avec des ions plomb soit relativement courte, elle est d'une grande importance, les spécialistes et les équipes chargées des opérations veillant à fournir des faisceaux de haute qualité.

L’origine des ions plomb et des faisceaux d’ions plomb
Les ions plomb « naissent » dans la source du Linac 3, où un échantillon de plomb pur est évaporé : la vapeur de plomb et de l’oxygène gazeux sont injectés dans la chambre à plasma de la source. Une micro-onde est appliquée, de façon à créer le plasma dans lequel sont ionisés les atomes de plomb et d’oxygène. Ces ions sont ensuite extraits, partiellement « épluchés », puis accélérés. La charge de l'ion plomb après le processus d’épluchage est de 54+, ce qui signifie que 28 des 82 électrons de l’atome de plomb ont été retirés.

Ces ions plomb sont ensuite transportés et injectés dans la machine suivante de la chaîne, à savoir l’Anneau d'ions de basse énergie (LEIR), qui peut recevoir des impulsions uniques ou multiples, en fonction de l’intensité nécessaire pour le faisceau (plus il y a d'impulsions, plus il y a d'ions plomb accumulés et plus l'intensité est élevée).

Pour le faisceau du LHC, le LEIR reçoit sept impulsions en provenance du Linac 3 ; à chaque fois, un procédé de refroidissement par électrons permet de réduire la taille du faisceau. Le procédé consiste à accompagner le faisceau d'ions plomb « chaud » sur une distance de 2,5 m, d’un faisceau d’électrons « froid ». L'échange d'énergie entre les deux faisceaux réduit la taille du faisceau d'ions plomb, ce qui permet d'injecter une autre impulsion depuis le Linac 3 et de répéter le processus de refroidissement. Après cette procédure, deux paquets sont accélérées et extraits en direction du PS.

Le PS accélère encore le faisceau à deux paquets et plusieurs manipulations longitudinales du faisceau réalisées à l'aide des cavités radiofréquence (RF) permettent d’obtenir quatre paquets espacés de 100 ns. Après 14 cycles au maximum, ces quatre paquets d'ions Pb⁵⁴⁺ sont alors transportés vers le SPS. Dans la ligne de transfert entre le PS et le SPS, les ions sont débarrassés entièrement de leurs électrons restants pour devenir des ions Pb⁸²⁺ divisés en 56 paquets espacés de 100 ns.

Après une première accélération dans le SPS, une technique dite de superposition par glissement est appliquée au faisceau (voir l’encadré) de manière à ramener l'espacement entre les paquets à 50 ns, et de doubler ainsi l'intensité totale du faisceau d'ions plomb dans le LHC. À l’issue d’une ultime phase d'accélération, le faisceau est extrait et injecté dans le LHC, soit dans le sens des aiguilles d'une montre, soit dans le sens inverse. Le LHC contiendra des faisceaux constitués au maximum de 1 248 paquets chacun.

À l'heure où j'écris cet article, les machines Linac 3, LEIR et PS produisent régulièrement des faisceaux d'ions plomb. Il s'agit maintenant d'achever la mise en service de la superposition par glissement dans le SPS ; ce processus est déjà bien avancé et il est probable que des faisceaux d'ions superposés par glissement seront fournis au LHC dans les semaines à venir.

Méthode de réduction de l'espacement des paquets dans les faisceaux d'ions plomb Afin de préparer le doublement de l’intensité totale des faisceaux d’ions plomb pour le LHC à haute luminosité (HL-LHC), le complexe d’injecteurs d’ions lourds du CERN a bénéficié ces dernières années d’une série d’améliorations. Dans le SPS, les équipes ont commencé à appliquer une technique de « superposition par glissement » (« momentum slip-stacking »), qui consiste à injecter deux lots de quatre paquets d’ions plomb espacés de 100 nanosecondes afin de produire un lot unique de huit paquets d’ions plomb espacés de 50 nanosecondes. Lors de ce processus, les 56 paquets injectés dans le SPS sont répartis entre deux systèmes RF, qui reçoivent chacun 28 paquets. Du fait d’une légère différence de fréquence entre ces deux systèmes RF, la moitié du faisceau se déplace légèrement plus vite le long de la circonférence du SPS (on parle de « glissement » dans ce contexte). Une fois que les deux moitiés du faisceau sont placées de telle manière que l'espace entre deux paquets soit de 50 ns, on « entrelace » les deux faisceaux. Cela permet d’augmenter le nombre total de paquets injectés au LHC, qui passe de 648 lors de la deuxième période d’exploitation à 1 248 lors de la troisième période d’exploitation et des périodes suivantes.