La patience et la complexité sont les maîtres mots de la recherche scientifique fondamentale. Le travail au Bureau scientifique du Département de l’énergie (DOE) prend du temps.
Exemple concret : le personnel technique du Laboratoire national de l’accélérateur Fermi du DOE a construit un prototype de cryomodule supraconducteur pour le Plan d’amélioration des protons II (PIP-II) projet.
Quatre de ces vaisseaux de 39 pieds de long, qui pèsent chacun un poids étonnant de 27 500 livres, seront responsables de l’accélération des ions hydrogène à plus de 80 % de la vitesse de la lumière. À terme, les cryomodules constitueront la dernière section du nouvel accélérateur linéaire, ou linac, qui pilotera le complexe d’accélérateurs du Laboratoire Fermi.
Les physiciens aiment accélérer les particules vers des énergies de plus en plus élevées. Plus l’énergie est élevée, plus une sonde à particules peut pénétrer finement et être discriminante. Cette précision accrue permet aux scientifiques d’étudier la plus petite des structures.
Les accélérateurs de plus en plus rapides présentent de nombreux avantages. Pour n’en nommer que quelques-uns : détruire les cellules cancéreuses ; révélant la structure des protéines et des virus ; créer des vaccins et de nouveaux médicaments ; et faire progresser notre connaissance des origines de notre univers.
Pour le linac PIP-II, chaque cuve de cryomodule supraconducteur contiendra en son cœur une chaîne de dispositifs appelés « cavités ». Ces cavités ressemblent à des canettes de soda surdimensionnées empilées bout à bout. Ils sont constitués de niobium pur, un matériau supraconducteur. L’électricité circule à travers le matériau supraconducteur sans perte d’énergie lorsque le niobium est maintenu bien en dessous de la température moyenne de l’espace.
Notez l’extrait « cryo » dans le mot cryomodule, signifiant impliquer ou produire du froid. Surtout un froid extrême. Afin d’atteindre l’état supraconducteur, les cavités doivent être maintenues à des températures extrêmement froides, autour du zéro absolu.
Pour garder les choses au frais, l’équipe remplit l’intérieur du récipient d’hélium liquide. Le navire comporte de nombreuses couches d’isolation pour protéger les cavités des températures extérieures trop chaudes.
Une fois le prototype fonctionnel, quatre des modules seront assemblés pour construire la dernière section du nouvel accélérateur linéaire du Laboratoire Fermi.
Voici comment se déroulera le voyage. Les cryomodules supraconducteurs alimenteront des faisceaux d’anions hydrogène, qui sont des atomes d’hydrogène constitués d’un proton et de deux électrons, au lieu d’un proton et d’un électron habituels.
Les faisceaux atteindront une énergie finale de 800 millions d’électronvolts, ou MeV, avant de quitter l’accélérateur.
De là, le faisceau sera transféré vers les accélérateurs Booster et Main Injector améliorés. Là, il gagnera plus d’énergie avant d’être transformé en neutrinos.
La machine enverra ensuite ces neutrinos dans un voyage de 1 300 kilomètres (800 miles) à travers la Terre jusqu’au Expérience de neutrinos souterrains profonds (DUNE) à l’installation de neutrinos à longue base à Lead, dans le Dakota du Sud.
L’équipe s’assure désormais que tous les préparatifs ont porté leurs fruits alors que les modules sont testés au centre de test des cryomodules du Laboratoire Fermi. Cela révélera à quel point les modules fonctionnent après expéditions de pratique entre le Laboratoire Fermi et le Royaume-Uni.
Les modules finaux seront construits par les partenaires du PIP-II à travers le monde. Trois d’entre eux seront réunis au laboratoire de Daresbury, géré par le Conseil des installations scientifiques et technologiques du Royaume-Uni pour la recherche et l’innovation, et expédiés au Laboratoire Fermi.
Le quatrième sera assemblé au Fermilab à l’aide de composants fournis par le Raja Rammana Center for Advanced Technology du Département indien de l’énergie atomique.
Des partenaires internationaux d’Inde, d’Italie, de France, de Pologne et du Royaume-Uni contribuent à de nombreux aspects du projet PIP-II.
Tous ces travaux sont réalisés dans le cadre du projet PIP-II, une amélioration essentielle du complexe d’accélérateurs du Laboratoire Fermi. PIP-II fournira des neutrinos que les scientifiques de DUNE pourront étudier.
En parallèle, les faisceaux de protons de haute puissance délivrés par l’accélérateur PIP-II permettront aux expériences basées sur les muons de rechercher de nouvelles particules et de nouvelles forces avec des niveaux de précision sans précédent. Le programme diversifié de physique est à l’origine de nouvelles découvertes pour les décennies à venir.