Les futurs projets d’accélérateurs, y compris la mise à niveau à haute luminosité du Large Hadron Collider, s’appuieront sur des alliages niobium-étain (Nb3Sn) pour leurs composants supraconducteurs, tels que les électroaimants. Les capacités supraconductrices plus élevées de ce matériau seront essentielles pour augmenter les performances de nos machines de découverte, mais des tests rigoureux sont nécessaires pour démontrer la résilience des composants niobium-étain, car l’alliage est connu pour être plus fragile que le niobium-titane, dont les composants actuels du LHC sont fabriqués.
Cela fait du test d’endurance d’un aimant supraconducteur grandeur nature basé sur la technologie niobium-étain au Laboratoire national de Brookhaven, aux États-Unis, une étape cruciale sur la route vers le HL-LHC. Après des tests tout aussi réussis sur des versions plus courtes de l’aimant, les résultats positifs de ce test confirment la viabilité des aimants en niobium-étain dans l’environnement difficile des accélérateurs de particules, annonçant un ciel plus clair pour le projet LHC à haute luminosité (HL-LHC) et au-delà.
L’aimant en question est l’un des quadripôles triplet qui ont été produits et testés aux États-Unis dans le cadre d’une collaboration avec le CERN qui prévoit la contribution d’un total de 20 aimants pour le HL-LHC. Ces aimants supraconducteurs de 4,2 mètres de long, ainsi que leurs homologues plus longs actuellement en cours de prototypage au CERN, focaliseront plus étroitement les faisceaux de protons autour des points de collision d’ATLAS et de CMS afin de multiplier par dix la luminosité intégrée (le nombre de collisions) ciblée par le HL-LHC.
Froid, chaud, froid, chaud, froid, chaud… en deux ans, le quadripôle a subi cinq cycles thermiques, dont trois au printemps de cette année. Chacun de ces cycles soumet les aimants à une excursion de température de 300 °C : jusqu’à 1,9 K – la température nécessaire pour libérer leurs capacités supraconductrices – en fonctionnement et jusqu’à la température ambiante, à laquelle les aimants sont régulièrement amenés pour les opérations techniques. Ce processus est connu pour être exigeant pour les aimants, dont les matériaux se dilatent et se contractent différemment avec le changement de température. Le quadripôle niobium-étain a traversé cinq de ces cycles thermiques sans aucun signe de dégradation des performances.
Les cycles thermiques ne sont qu’une partie du tableau : la résilience aux trempes constitue l’autre partie des exigences d’endurance, telles que testées à Brookhaven. Une trempe est une transition irréversible de l’état supraconducteur à l’état normal, au cours de laquelle l’énergie stockée dans l’aimant doit être dissipée en toute sécurité dans tout l’enroulement, le ramenant à température ambiante. En avril et mai 2022, parallèlement aux deux derniers cycles thermiques, l’aimant a subi deux trempes provoquées chaque jour ouvrable, soit un total de cinquante trempes en deux mois. Les aimants sont conçus pour résister à de tels événements, mais tester leur résilience est essentiel pour garantir le bon fonctionnement de l’accélérateur. Et après que le réchauffeur de trempe ait été tiré cinquante fois sur le quadripôle innocent de Brookhaven, il s’est avéré comme neuf.
« Il s’agit du premier test d’endurance réalisé avec succès sur un aimant Nb3Sn de 4,2 m de long, et je suis heureux d’annoncer que les résultats valident davantage la résilience et la durabilité de cette technologie », explique Giorgio Apollinari, responsable du projet de mise à niveau de l’accélérateur ( AUP) au Laboratoire Fermi. Outre l’établissement de l’endurance de l’aimant, les tests ont révélé qu’il était capable de maintenir son champ de crête opérationnel de 11,4 T jusqu’à 4,5 K, ce qui donne à l’aimant une marge de fonctionnement dépassant de loin les exigences imposées par la chaleur des débris de collision provenant de l’ATLAS et Expériences CMS.
« Nous avons demandé que ces tests soient effectués plus tôt que prévu dans le calendrier initial en raison de l’examen particulier sous lequel se trouve la technologie niobium-étain, et nos amis américains ont livré. Pour cela, pour leur réactivité et leur adaptabilité, nous sommes extrêmement reconnaissants, » déclare Ezio Todesco, responsable des aimants de la région d’interaction HL-LHC. L’ouverture et la confiance entre les communautés scientifiques européenne et américaine ont été la clé de cette réussite, et la décision de construire les mêmes aimants des deux côtés de l’océan s’est avérée une fois de plus être la bonne voie à suivre, car les deux parties pouvaient apprendre de la les réalisations et les défis des autres.