Un début encourageant pour le Run 3

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Par Mike Lamont

Mike Lamont est directeur des accélérateurs et de la technologie

31 août 2022

En ces temps difficiles, il est rassurant de voir le complexe d'accélérateurs du CERN pleinement opérationnel à nouveau, avec la physique livrée aux expériences à ISOLDE et HIE-ISOLDE, n_TOF, AD-ELENA, la zone Est, la zone Nord, AWAKE, HiRadMat, CLEAR et, bien sûr, le LHC – nonobstant l'arrêt temporaire imprévu actuel – et l'excellent travail effectué avec les faisceaux d'essai et dans les installations d'irradiation.

Côté LHC, à la suite d'un important recommissioning avec faisceau, les premières collisions avec les détecteurs se sont produites au lendemain de la célébration du 10e anniversaire de la découverte du boson de Higgs. Les premiers faisceaux stables ont été suivis d'une période de mise en service entrelacée et de montée en puissance de l'intensité. Chaque année, le nombre de paquets par faisceau est soigneusement augmenté par étapes, avec approbation par le panneau de protection de la machine après une durée/un nombre de remplissages désignés à une configuration donnée. Cette année, le LHC est passé de 72 à 315, 603, 987, 1227, 1551, 1935, 2173 puis 2413 paquets par faisceau en l'espace de cinq semaines et demie, le premier remplissage de 1227 paquets ayant eu lieu le 29 juillet, quelques jours avant la date prévue. Des progrès sains ont été réalisés, malgré un mélange familier de problèmes en cours de route, et 2440 régimes ont été obtenus au 12 août.

L'expérience nous apprend que la première année d'exploitation avec faisceau après un arrêt de trois ans peut être un peu difficile. Les défis prévus comprenaient des extinctions d'entraînement supplémentaires du dipôle principal en raison du fonctionnement actuel de la machine à 6,8 TeV, du nuage d'électrons et de la chute d'objets non identifiés (OVNI).

L'équipe du vide avait prévu des écrans de faisceau entièrement déconditionnés et la nécessité de recommencer à zéro avec une campagne de réduction du nuage d'électrons. Un programme d'épuration complet a réussi à amener le nuage d'électrons initialement très élevé à des niveaux acceptables, avec un conditionnement supplémentaire prévu au cours des longs essais de physique à haute intensité. Ici, le problème clé est la charge thermique du nuage électronique sur le système cryogénique – une véritable limite opérationnelle de l'intensité maximale pouvant être gérée par le LHC.

Les ovnis, véritable bête noire en 2015, devaient également réapparaître en nombre après le LS2. Cela s'est effectivement avéré être le cas mais, heureusement, ils se sont rapidement calmés et se produisent maintenant moins souvent. Bien qu'ils soient encore une cause de décharges prématurées occasionnelles, grâce à une gestion prudente des seuils de perte de faisceau, ils n'ont pas été débilitants.

En parallèle, il y a eu le re-beding nécessaire et le débogage de systèmes d'accélérateurs étendus et complexes. La disponibilité récente a été modérée par rapport aux niveaux impressionnants atteints à la fin du Run 2.

Les performances de luminosité ont été étonnantes. Grâce aux améliorations apportées au cours du programme de mise à niveau des injecteurs (LIU), les injecteurs ont fourni un faisceau de haute qualité, avec une faible taille de faisceau transversal. Des procédures bien établies et un excellent contrôle des paramètres dans le LHC ont permis d'exploiter tout le potentiel des faisceaux. Pour le moment, l'équipe des Opérations travaille toujours avec une intensité de groupe autour de la valeur nominale, avec la possibilité d'aller beaucoup plus haut encore à exercer. L'excellente performance témoigne de l'investissement continu dans la compréhension, les outils, le développement des machines, la physique des accélérateurs, les systèmes d'accélération tels que l'instrumentation et la rétroaction transversale, ainsi que beaucoup de travail acharné.

Bien que le LHC ait le potentiel d'aller beaucoup plus haut, la luminosité de crête pour l'exploitation 3 est limitée à environ 2e34 cm-2 s-1 en raison de la charge thermique des débris de luminosité, qui a un impact sur les aimants triplets internes supraconducteurs. La luminosité est limitée par un déplacement transversal ou en faisant varier la taille du faisceau au point d'interaction. De nouveaux outils d'exploitation sophistiqués ont été déployés pour réduire en douceur la taille du faisceau dans les faisceaux stables (nivellement bêta*) afin de maintenir le niveau de luminosité à sa valeur maximale le plus longtemps possible.

Avec une disponibilité raisonnable et quelques longs remplissages, les taux de production ont été bons et 11 fb-1 ont été livrés à ATLAS le 23 août. Cependant, lorsque la courbe de luminosité pointe vers le haut, n'extrapolez jamais - vous irritez les dieux de l'accélérateur. Nous avions prévu des quenchs d'entraînement, des ovnis, une charge thermique du nuage d'électrons et un débogage du système et, en effet, nous nous sommes fait prendre par un gros problème le 23 août.

Un problème de contrôle de la tour de refroidissement a temporairement mis hors service la cryogénie au point 4. Ici, le système cryogénique refroidit non seulement les aimants mais aussi les cavités RF supraconductrices. Suite à l'incident, l'hélium liquide dans les cryomodules RF s'est réchauffé et s'est vaporisé, augmentant la pression à l'intérieur des modules. Cette situation est prévue et des soupapes de décharge sont en place si la pression dépasse un certain niveau, soigneusement réglé pour éviter d'endommager les cavités RF. Les soupapes de décharge sont renforcées par de fins "disques de rupture" en graphite, conçus pour s'ouvrir à une pression supérieure à celle qui déclenche l'ouverture des soupapes de décharge.

Le 23 août, les soupapes de décharge se sont ouvertes comme prévu. Malheureusement, dans les minutes qui ont suivi 3 disques éclatés (sur 16) se sont ouverts en dessous de leur valeur nominale. Un groupe de travail était déjà en place et avait mené des enquêtes détaillées à la suite d'un incident similaire plus tôt dans l'année; des mesures d'atténuation avaient déjà été prévues pour l'arrêt technique de fin d'année à venir.

Un disque de rupture soufflé ouvre les modules à l'air, ce qui nécessite un réchauffement de dix jours pour éliminer toute humidité des cavités, suivi d'un refroidissement et d'un reconditionnement des cavités. La fin de la période de récupération chevauche un arrêt technique prévu de cinq jours et nous espérons être de retour en action avec le faisceau dans la seconde moitié de septembre.

L'équipe de cryogénie a développé un mode d'économie d'énergie pour le LHC et est capable de passer en une journée à une configuration avec moins d'unités actives, économisant environ 9 MW. Ce mode est utilisé pendant la période de mise en service du faisceau et les cycles d'ions, lorsque la pleine capacité de refroidissement du système n'est pas requise. Ce mode a été déployé immédiatement pendant la durée de la récupération RF.

Malgré l'incident RF, les performances du LHC et, en fait, de l'ensemble du complexe d'accélérateurs sont très encourageantes et augurent bien d'un Run 3 productif. Que ces machines vieilles de plusieurs décennies (le PS a 63 ans cette année !) et les installations associées continuent offrir leur incroyable spectre de physique aux limites de leurs capacités témoigne du dévouement, de l'engagement et de l'ingéniosité continus de toutes les personnes impliquées.