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LHC

27/06/2008

Le Grand Collisionneur de Hadron (Large Hadron Collider) est actuellement en cours d’installation dans un anneau de 27 kilomètres, enterré à 100 m sous terre à la frontière franco-suisse, près de Genève. Quand il démarrera en 2008, le LHC sera le plus puissant des accélérateurs de particules au monde. Des protons (ou des ions) de très haute énergie circulant dans deux faisceaux tournants à contre-sens se choqueront les uns contre les autres, dans le but de rechercher des indices de la supersymétrie, de la matière noire et de l’origine de la masse des particules élémentaires.

  • le journal de Saclay n°42 (1er trimestre 2009: Dossier le LHC, l'accélérateur de science

Les faisceaux se composent des paquets contenant des centaines de milliards de protons chacun. Voyageant quasiment à la vitesse de la lumière, ils seront injectés, accélérés, et maintenus en circulation pendant des heures, guidés par des milliers d’aimants supraconducteurs puissants.

Dans la majeure partie de l’anneau, les faisceaux voyagent dans deux lignes sous vide séparées, mais en quatre points d’interactions, il se heurtent au cœur des expériences principales, appelées Atlas, CMS, Alice et LHCb. L’énergie des protons (ou des ions) est transformée au moment du choc en une myriade de particules exotiques, que les détecteurs de ces quatre expériences observeront avec attention.

Les détecteurs pourront voir jusqu’à 600 millions de collisions par seconde et les expériences scruteront les données pour y déceler les signes d’événements extrêmement rares, tels que la création du très recherché boson de Higgs.

Le CEA participe aux programmes scientifiques d’Atlas, CMS et Alice, trois des quatre grandes expériences installées sur le LHC. Dès les années 80, ses équipes ont été parmi les premières à proposer des concepts pour les grandes expériences Atlas et CMS. Pendant plus de dix ans, par le calcul et l’ingénierie, elles ont pris part à leur conception et à leur réalisation, ainsi qu'à celles de composants essentiels de l'accélérateur.

 

 

Simulations, mesures expérimentales et exploitation des résultats

Les programmes de simulation des équipes du CEA-Irfu ont d’abord servi à évaluer les différents concepts de détecteurs possibles, puis à en affiner le design. Aujourd’hui, les physiciens de l’Irfu poursuivent le développement de leurs algorithmes pour être capables de simuler au plus près le fonctionnement des détecteurs mis en place dans les expériences et analyser les données des expériences (physique du modèle standard, mesure de la masse des particules détectées, recherche du Boson de Higgs et de particules nouvelles).

Grilles de calcul pour les expériences LHC

Pour être à même de traiter les gigantesques quantités de données générées par les expériences, l’Irfu est impliqué dans les grilles de calcul LCG et Egee dont le principe est de mutualiser les moyens de calcul, qu’ils soient d’envergure locale, régionale, nationale ou internationale. Afin de fédérer les laboratoires de recherche en région parisienne autour d’un outil commun, l'Irfu s’est investi dans la Grille de Recherche d’Île-de-France (Grif). Le but de ces grilles est le traitement des données scientifiques issues non seulement des expériences auprès du LHC (grille LCG), mais aussi d’autres domaines d’intérêt comme le biomédical (grille Egee) ou la recherche sur la fusion via une collaboration avec l’Institut de recherche sur la fusion magnétique (IRFM - Association CEA Euratom).

 

 

L’accélérateur

Pour relever les défis technologiques considérables du LHC, le CNRS, le CEA et le CERN ont collaboré étroitement pour la construction de l’accélérateur. Le protocole de collaboration entre ces trois organismes avait été signé le 14 février 1996 en présence du ministre chargé de la Recherche.
La performance des aimants guidant les faisceaux du LHC est assurée par leur fonctionnement à l’état supraconducteur, qui n’est réalisable que si le système est maintenu à très basse température. Le LHC requiert donc la plus grande infrastructure cryogénique jamais réalisée, dans laquelle le CNRS et le CEA ont conçu et validé avec les équipes du CERN la cryogénie en hélium superfluide à -271°C – soit une température inférieure à celle de l’espace interstellaire.

 

La France a de plus pris une part capitale dans la réalisation des unités de focalisation, en concevant les quadripôles supraconducteurs principaux du LHC et leur assemblage dans leurs masses froides. Les 392 aimants quadripôles, désormais tous dans le tunnel, garantiront la focalisation des faisceaux, c'est-à-dire la maîtrise de leur dimension millimétrique tout au long de leur trajectoire. Ces aimants sont insérés dans des enceintes à hélium liquide avec des aimants correcteurs ainsi que bien d’autres composants. Cet assemblage complexe, appelé masse froide, est lui-même entouré par un cryostat et un module d’asservissement. Le tout forme ce que l’on appelle une section droite courte.

 

Le CEA-Irfu a réalisé les prototypes puis participé au transfert de technologie et au suivi de fabrication industrielle des 392 masses froides des quadripôles en Allemagne. L’Institut de physique nucléaire d’Orsay (CNRS/IN2P3 – Université Paris 11) a participé à l’étude et à la réalisation des cryostats des sections droites courtes, depuis les prototypes jusqu'à l’industrialisation. Sa contribution s’est étendue jusqu’au suivi de fabrication et à l’assemblage de la série au CERN. La première section droite courte, et donc le premier aimant quadripôle, avait été descendue dans le tunnel du LHC en avril 2005.
L’Institut de physique nucléaire d’Orsay a également étudié et étalonné plus de 6000 thermomètres pour mesurer et contrôler au dixième de degré près tous les éléments supraconducteurs du LHC. Le service des basses températures du CEA-Inac a participé au suivi de fabrication, à la réception et à l’installation des unités de réfrigération à -271 °C, après avoir mené les études de base initiales. Ce même service avait mis au point la cryogénie du dispositif expérimental de fusion Tore Supra à Cadarache.

 

 

Atlas

Très présent dès la phase initiale du projet, le CEA-Irfu (SPP - Service de physique des particules, SACM - Service des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme, SEDI - Service d'électronique des détecteurs et de l'informatique et SIS - Service d'ingénierie des systèmes) a largement contribué à la conception de ce grand détecteur. Les équipes de l’Irfu ont en particulier conçu et fait réaliser l’aimant toroïdal du spectromètre à muons (qui développe le plus grand champ magnétique artificiel au monde) , le calorimètre électromagnétique à argon liquide et le système d'alignement des détecteurs de muons.

Aimant toroïdal

Le CEA-Irfu a eu la responsabilité de l'intégration des huit bobines géantes de l’aimant toroïdale dans leur masse froide et dans leur cryostat. Il avait en charge de la définition de la gamme de montage, de la conception des outillages de manutention des bobines du toroïde central, ainsi que du suivi qualité du montage en caverne.

Détecteur de muons

L'alignement des chambres du spectromètre à muons de la partie centrale est de la responsabilité du CEA-Irfu, en collaboration avec l'institut Nikhef (Pays-Bas). L’Irfu a également contribué à la conception, réalisation, calibration et intégration du système d'alignement, la détermination de la carte de champ magnétique d'Atlas (calcul et mesures), les logiciels de reconstruction et de visualisation des trajectoires de muons, les logiciels d’analyse et la base de données des constantes d'alignement.

 

 

Calorimètre électromagnétique

Le Cea-Irfu a contribué de façon essentielle à l’optimisation du calorimètre électromagnétique central et à l’élaboration de son processus de fabrication et d’assemblage. Dix des 32 modules ont été assemblés et testés à Saclay, et le Cea-Irfu a eu la responsabilité de l’assemblage de tous les modules au Cern et de l’insertion dans le cryostat. Côté électronique de lecture, le Cea-Irfu a pris en charge les cartes qui fournissent les primitives du déclenchement rapide de l’acquisition à partir des signaux du calorimètre. Il a aussi conçu le circuit intégré de lecture rapide « HAMAC », à base de capacités commutées, qui a été par la suite à l’origine d’une longue filière utilisée dans plus de dix autres expériences.

 

 

En savoir plus sur le LHC :

Iter : la fusion, mode d’emploi

par Danièle Imbault, adjointe au Directeur des sciences de la matière (conférence du 14 octobre 2007 à l'occasion de la journée portes ouvertes à NeuroSpin

CMS

S’agissant de CMS, le CEA-Irfu a conçu le plus grand solénoïde du monde qui permet un champ magnétique de 4 Teslas. Grâce à cette très grande intensité du champ, le spectromètre à muons peut être extrêmement compact sans perdre en précision. Le dispositif comporte aussi un calorimètre électromagnétique composé de cristaux de tungstate de plomb très denses qui piègent les électrons et les photons. Le CEA-Irfu a également développé le système de monitorage du calorimètre, qui permet de contrôler la fiabilité des mesures effectuées.

 

 

Le Solénoïde

CEA Irfu a eu la responsabilité scientifique et technique de l’étude générale de la masse froide, de détail de certains composants et suivi industriel de leur réalisation (tirants de suspension, écrans thermiques, cryogénie de proximité, amenées de courant). Il a aussi assuré les essais de composants critiques (prototypes de jonctions électriques, amenées de courant, tirants de suspension, cryogénie de proximité), la coordination du montage de la masse froide.

 

 

Calorimètre

Le CEA-Irfu avait en charge la conception, la fabrication et la mise en service du système d'étalonnage, par injection de lumière laser, du calorimètre électromagnétique à cristaux de tungstate de plomb. Ses équipes ont conduit la R&D sur les photodétecteurs ainsi que sur les cristaux (le détecteur en compte 75 000 au final). Le CEA-Irfu a également étudié, développé et supervisé l’installation, les tests et l’exploitation des données du système de monitorage de transparence des cristaux, Ce celles du processeur de lecture sélective. Il a enfin étudié et assure la fabrication et la mise en oeuvre du système d'enfournements des supermodules du calorimètre électromagnétique dans l'expérience CMS.

 

 

Alice

Le groupe Alice du CEA-Irfu est principalement intéressé par l'étude de la production des résonances, signature de la création du plasma quark-gluon. L’institut est donc impliqué dans la réalisation du bras « dimuons » et plus particulièrement dans l'étude et la réalisation des 5 stations de trajectographie.


Ses équipes ont en charge la fabrication des 39 lattes de détection (sur ~160), des panneaux support, des systèmes de translation des 3 stations et des outillages de manutention pour l’intégration en caverne, de l’intégration des 3 grandes stations et de l’étude du système de refroidissement à air.