Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a besoin de types d'aimants particuliers pour focaliser les faisceaux de particules au niveau des points de collision. Ces aimants, dits quadripôles de focalisation finale, sont installés dans les régions d'interaction du LHC de part et d'autre des détecteurs. Pour le LHC à haute luminosité (HL-LHC), ceux situés de part et d'autre d'ATLAS et de CMS devront être remplacés. Les tests menés au CERN ont à présent validé l’utilisation des quadripôles nouvellement conçus pour les remplacer.
À la différence des aimants du LHC, qui sont faits avec un alliage de niobium-titane (Nb-Ti), les nouveaux aimants sont fabriqués à partir d'un matériau plus difficile à manier : le niobium-étain (Nb3Sn). « Le Nb3Sn étant très fragile et les bobines étant très rigides, l'assemblage des aimants en Nb3Sn est une manœuvre délicate, explique José Miguel Jiménez, chef du département Technologie. C'est beaucoup plus difficile que pour les aimants en Nb-Ti. »
Le département Technologie du CERN développe actuellement une série de dix aimants (huit, plus deux de rechange), faisant chacun 7,2 mètres de long, en s’appuyant sur les travaux réalisés dans le cadre du projet de mise à niveau pour la haute luminosité de l'accélérateur (Accelerator Upgrade Project - AUP) aux États-Unis. Les équipes du projet AUP ont en effet entrepris la production de 20 quadripôles (16, plus quatre de rechange) de 4,2 mètres de long chacun. Des tests réalisés récemment au Fermilab ont montré que ces aimants fonctionnent à l'intensité visée aussi bien à 1,9 kelvin (-271,25 °C) qu'à 4,5 kelvins (-268,65° C), répondant ainsi aux spécifications du projet. L'équipe du CERN utilise une conception et des procédures de fabrication similaires à celles du projet AUP, transposées à des aimants de 7,2 m de long.
« La contribution de nos collègues aux États-Unis a été déterminante pour développer la conception de ces aimants, ainsi que les procédures à suivre, et les recoupements réguliers entre données de fabrication et données des tests ont aidé les équipes, des deux côtés de l'Atlantique, à résoudre de nombreux problèmes », souligne Ezio Todesco, responsable des aimants des régions d'interaction du HL-LHC.
Le test réalisé au CERN entre août et octobre a permis d'atteindre l'intensité visée de 16,53 kA, aussi bien à 1,9 K qu'à 4,5 K. L'intensité visée correspond à l'intensité requise pour une exploitation du LHC à 7 TeV, plus une marge de 300 A. Même s’il est prévu de faire fonctionner la machine à 1,9 K, la capacité d’atteindre à 4,5 K l'intensité visée est une preuve de la robustesse de la conception, et cela donne une marge opérationnelle confortable pour le HL-LHC et pour la suite.
Il s'agit du troisième aimant en longueur réelle testé dans le cadre d'un plan mis en place après que des limitations de performance ont été constatées sur les deux premiers prototypes. Les autres aimants n'ont montré aucun signe de dégradation lors des tests, mais à 4,5 K, il n’était pas possible d’atteindre l'intensité visée. L'équipe du CERN a mis la production en pause afin de trouver l'origine du problème. En améliorant la conception de la coque extérieure, en réduisant les contraintes maximales exercées sur l'aimant pendant l'assemblage de la bobine et en modifiant les paramètres du processus de fabrication de la bobine, elle a éliminé ces limitations et le troisième aimant a surpassé ses prédécesseurs.
« Merci à toutes les personnes concernées pour les excellents résultats obtenus, pour leur travail d'équipe efficace, et pour les solutions techniques pratiques et robustes qu'elles ont trouvées. La technologie du niobium-étain est désormais suffisamment au point pour être utilisée pour les aimants d'accélérateurs », déclare Arnaud Devred, chef du groupe TE-MSC.
« C’est un résultat formidable pour le projet, souligne Oliver Brüning, chef du projet HL-LHC. Cela signifie que la technologie du niobium-étain est viable pour les aimants d'accélérateurs de 7 mètres de long et va permettre la réalisation du HL-LHC. »