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28 octobre, 2025

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Par Rende Steerenberg

Avec 100 fb⁻¹ livrés à la fois à ATLAS et à CMS, le Comité de la machine LHC (LMC) a donné le feu vert à l'augmentation progressive de la densité des paquets, qui devrait passer de 1,63×10¹¹ à 1,7×10¹¹ protons par paquet, voire atteindre ultérieurement 1,75×10¹¹ protons par paquet. Début 2025, on visait même 1,8×10¹¹ protons par paquet, mais il s'est avéré que 1,75×10¹¹ est proche du maximum que peut supporter le système cryogénique, en raison de la charge thermique induite par le nuage d'électrons, qui doit être évacuée par le système cryogénique. Il pourrait être envisagé de modifier le schéma de remplissage (c'est-à-dire la configuration et le nombre total de paquets), mais cette option suscite des réticences.

Le 14 octobre, après une augmentation apparemment menée à bon port de la densité des paquets, trois remplissages consécutifs ont été éjectés en raison de pertes au point 2. Ces pertes étaient corrélées à l'augmentation de la fluctuation du vide dans le module à doigts RF défectueux situé dans la cellule 6 du point 2 (6L2).

Par conséquent, le matin du 15 octobre, la densité des paquets a été réduite à 1,5×10¹¹ protons, puis les deux faisceaux ont pu de nouveau circuler en mode collision. Cependant, un deuxième remplissage à la même densité a lui aussi été accompagné de signes d'une fluctuation du vide dans ce module. Il a donc été décidé de réduire encore la densité des paquets, pour la limiter à 1,4×10¹¹ protons. Cette réduction entraîne toutefois une perte de la production de luminosité estimée à 8 %.

La question s'est donc posée de remplacer le module à doigts RF défectueux. Selon des spécialistes, une telle intervention supposerait un arrêt technique de deux semaines et pourrait avoir une incidence temporaire sur le bruit de fond à ALICE après la reprise de l'exploitation. Compte tenu des inconvénients, et étant donné que le module défectueux n'affecte que le faisceau 1, il a été décidé de maintenir l'intensité de celui-ci à 1,4×10¹¹ protons par paquet, tout en continuant à augmenter la densité de paquets du faisceau 2.

Il a donc fallu adapter le complexe d'injecteurs afin que chaque faisceau puisse être rempli à des densités de paquets différentes. Défi relevé, grâce à l'adaptabilité du complexe d'injecteurs, et à la réactivité des équipes chargées de son exploitation.

Le 17 octobre au matin, de nouvelles radiographies du module à doigts RF ont permis de confirmer que la situation n'avait pas vraiment évolué. Plus tard dans la journée, le faisceau 1 a été rempli à une intensité de 1,4×10¹¹ protons par paquet, et le faisceau 2 à une intensité, pour commencer, de 1,65×10¹¹ protons par paquet. Puis, durant le week-end, la densité des paquets du faisceau 2 a été augmentée en deux fois, jusqu'à atteindre 1,7×10¹¹ protons par paquet.

Charge thermique induite par le nuage d'électrons dans les huit arcs du LHC. L'image montre une variation significative de la charge thermique entre les arcs pour les mêmes conditions de faisceau. Il apparaît nettement que les arcs 78 et 81 sont les plus limitatifs, car le système cryogénique ne peut tolérer plus de 175 W par demi-cellule. À droite, on peut clairement voir que la diminution de la densité des paquets a entraîné une réduction de la charge thermique. (Image: CERN)

À mesure que la charge thermique induite par le nuage d'électrons diminuait grâce à la baisse de la densité des paquets, la réduction de l'intensité du faisceau 1 libérait un espace de refroidissement supplémentaire dans le système cryogénique. La densité des paquets du faisceau 2 a ainsi pu être encore réduite, tout en restant dans la limite opérationnelle du système (175 W par demi-cellule).

Ce mode d'exploitation n'ayant pas encore été testé, la proposition a été soigneusement examinée le 22 octobre par le LMC, qui l'a finalement approuvée. Le lendemain, le 23 octobre, le faisceau 2 atteignait pour la première fois 1,8×10¹¹ protons par paquet en collision, avec un remplissage complet de la machine et, point essentiel, sans fluctuation notable du vide.

Dans cette configuration, la perte potentielle de 8 % de luminosité causée par l'exploitation des deux faisceaux à 1,4×10¹¹ protons par paquet pourrait être compensée en grande partie. La courbe de luminosité a pratiquement retrouvé son gradient d'origine, remettant le LHC en bonne voie pour atteindre l'objectif de 120 fb-¹.

Grâce à ses excellentes performances, et malgré les défis rencontrés en cours de route, le LHC a atteint plusieurs objectifs marquants ces derniers jours.

Le 22 octobre, le LHC a dépassé les 500 fb-¹de luminosité intégrée totale accumulée au cours des trois périodes d'exploitation combinées. Puis, le 27 octobre au matin, CMS a atteint son objectif de 120 fb⁻¹. LHCb et ALICE avaient déjà atteint leurs objectifs respectifs de 12 fb-¹et 50 nb-¹pendant le week-end. Le soir du 27 octobre, ATLAS a également atteint son objectif de 120 fb⁻¹. Ainsi, en fin de journée, tous les objectifs de luminosité pour la campagne d'exploitation avec protons 2025 étaient atteints, une semaine entière avant le passage à la campagne avec des ions plomb.

Courbes de luminosité intégrée le 27 octobre au matin : prévision de luminosité intégrée (ligne verte) et luminosité intégrée effective pour ATLAS (points bleus) et CMS (points noirs), CMS dépassant l'objectif de 120 fb-1 fixé pour 2025 et ATLAS l'atteignant presque. (Image: CERN)

Dès qu'un défi est relevé, nous abordons le suivant. En l'occurrence, ce sera de battre le record 2024 de luminosité intégrée, qui s'élève à 124,3 fb⁻¹ (moyenne d'ATLAS et de CMS). La suite au prochain épisode !

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